Теория устройства судна

ВВЕДЕНИЕ В ТЕОРИЮ СУДНА
1) ПРЕДМЕТ "ТЕОРИЯ СУДНА" И ЕГО РОЛЬ В ПОДГОТОВКЕ СУДОВОДИТЕЛЕЙ
2) ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МОРЕХОДНЫХ КАЧЕСТВАХ СУДНА
3) ОСНОВНЫЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ КАЧЕСТВА СУДНА
4) ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ЧЕРТЕЖ И КООРДИНАТНЫЕ ПЛОСКОСТИ И ОСИ
5) Построение теоретического чертежа (Учебное пособие)
6) ГЛАВНЫЕ РАЗМЕРЕНИЯ И КОЭФФИЦИЕНТЫ ПОЛНОТЫ ФОРМЫ КОРПУСА СУДНА
7) ПОСАДКА СУДНА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО ПОСАДКИ

ПЛАВУЧЕСТЬ

1) УСЛОВИЯ ПЛАВУЧЕСТИ И РАВНОВЕСИЯ СУДНА
2) ВЫЧИСЛЕНИЕ ВЕСОВОГО ВОДОИЗМЕЩЕНИЯ СУДНА С ГРУЗОМ
3) ВЫЧИСЛЕНИЕ КООРДИНАТ ЦЕНТРА ТЯЖЕСТИ (Ц.Т.) СУДНА С ГРУЗОМ
4) ИЗМЕНЕНИЕ КООРДИНАТ Ц.Т. СУДНА ПРИ ПЕРЕМЕЩЕНИИ ГРУЗОВ
5) ЧЕРТЕЖ РАЗМЕЩЕНИЯ ГРУЗОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ КООРДИНАТ ЦЕНТРА ТЯЖЕСТИ ОТДЕЛЬНЫХ ГРУЗОВ
6) ИЗМЕНЕНИЕ СРЕДНЕЙ ОСАДКИ СУДНА ПРИ ПРИЕМЕ И СНЯТИИ (РАСХОДОВАНИИ) ГРУЗОВ
7) ИЗМЕНЕНИЕ ОСАДКИ СУДНА ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ПЛОТНОСТИ ВОДЫ
8) КРИВАЯ ВОДОИЗМЕЩЕНИЯ, ГРУЗОВОЙ РАЗМЕР И ГРУЗОВАЯ ШКАЛА

ПОПЕРЕЧНАЯ ОСТОЙЧИВОСТЬ

1) ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
2) УСЛОВИЯ ОСТОЙЧИВОСТИ
3) МЕТАЦЕНТРИЧЕСКАЯ ФОРМУЛА НАЧАЛЬНОЙ ПОПЕРЕЧНОЙ ОСТОЙЧИВОСТИ
4) МЕТАЦЕНТРИЧЕСКИЕ ДИАГРАММЫ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
5) КРЕН СУДНА ПРИ ПОПЕРЕЧНОМ ПЕРЕМЕЩЕНИИ ГРУЗА
6) ИЗМЕНЕНИЕ ОСТОЙЧИВОСТИ СУДНА ПРИ ПЕРЕМЕЩЕНИИ ГРУЗА ПО ВЕРТИКАЛИ
7) ИЗМЕНЕНИЕ ОСТОЙЧИВОСТИ СУДНА ОТ ПРИЕМА ИЛИ СНЯТИЯ (РАСХОДОВАНИЯ) ГРУЗОВ
8) ВЛИЯНИЕ НА ОСТОЙЧИВОСТЬ СУДНА ПОДВЕШЕННЫХ ГРУЗОВ
9) ВЛИЯНИЕ НА ОСТОЙЧИВОСТЬ СУДНА ЖИДКИХ ГРУ3ОВ СО СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
10) ВЛИЯНИЕ НА ОСТОЙЧИВОСТЬ НАСЫПНЫХ ГРУЗОВ
11) ИЗМЕНЕНИЕ ОСТОЙЧИВОСТИ СУДНА ПРИ ПОСАДКЕ НА ГРУНТ
12) ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОПЕРЕЧНОЙ МЕТАЦЕНТРИЧЕСКОЙ ВЫСОТЫ СУДНА ПУТЕМ ВЫПОЛНЕНИЯ ОПЫТА КРЕНОВАНИЯ
13) КРИВЫЕ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ЧЕРТЕЖА
14) ОСТОЙЧИВОСТЬ ПРИ БОЛЬШИХ УГЛАХ КРЕНА. ПЛЕЧО ОСТОЙЧИВОСТИ
15) ДИАГРАММА СТАТИЧЕСКОЙ ОСТОЙЧИВОСТИ И ЕЕ СВОЙСТВА
16) УНИВЕРСАЛЬНАЯ ДИАГРАММА ОСТОЙЧИВОСТИ
17) ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММЫ СТАТИЧЕСКОЙ ОСТОЙЧИВОСТИ ПО УНИВЕРСАЛЬНОЙ ДИАГРАММЕ
18) ДИНАМИЧЕСКАЯ ОСТОЙЧИВОСТЬ И ДИАГРАММА ДИНАМИЧЕСКОЙ ОСТОЙЧИВОСТИ
19) ОПРЕДЕЛЕНИЕ МИНИМАЛЬНОГО ОПРОКИДЫВАЮЩЕГО

ПРОДОЛЬНАЯ ОСТОЙЧИВОСТЬ И ДИФФЕРЕНТ

1) ПОНЯТИЕ О ПРОДОЛЬНОЙ ОСТОЙЧИВОСТИ СУДНА
2) ДИФФЕРЕНТ СУДНА И УГОЛ ДИФФЕРЕНТА
3) ИЗМЕНЕНИЕ ДИФФЕРЕНТА ПРИ ПРОДОЛЬНОМ ПЕРЕМЕЩЕНИИ ГРУЗА
4) ШКАЛА ИЗМЕНЕНИЙ ОСАДКИ ОКОНЕЧНОСТЕЙ ВСЛЕДСТВИЕ ПРИЕМА 100 ТОНН ГРУЗА
5) ГРАФИК ДИФФЕРЕНТА (ДИАГРАММА ОСАДКИ НОСОМ И КОРМОЙ)

НЕПОТОПЛЯЕМОСТЬ

1) ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О НЕПОТОПЛЯЕМОСТИ
2) СПОСОБЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НЕПОТОПЛЯЕМОСТИ
3) РОЛЬ ВОДОНЕПРОНИЦАЕМЫХ ПЕРЕБОРОК В ОБЕСПЕЧЕНИИ НЕПОТОПЛЯЕМОСТИ

БЕЗОПАСНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ СУДНА

1) ЗАПАС ПЛАВУЧЕСТИ СУДНА
2) ВЕЛИЧИНА НАДВОДНОГО БОРТА
3) ГРУЗОВАЯ МАРКА
4) ТРЕБОВАНИЯ РЕГИСТРА К ОСТОЙЧИВОСТИ МОРСКИХ СУДОВ. НОРМЫ ОСТОЙЧИВОСТИ
5) ТРЕБОВАНИЯ К ОСТОЙЧИВОСТИ СУДОВ, ПЕРЕВОЗЯЩИХ НАСЫПНЫЕ ГРУЗЫ
6) ИНФОРМАЦИЯ ОБ ОСТОЙЧИВОСТИ СУДНА ДЛЯ КАПИТАНА
7) ДИАГРАММА ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫХ МОМЕНТОВ
8) ДИАГРАММА ДОПУСКАЕМЫХ (ПРЕДЕЛЬНЫХ) ЗНАЧЕНИЙ ВОЗВЫШЕНИЯ Ц.Т. СУДНА
9) ТРЕБОВАНИЯ РЕГИСТРА К НЕПОТОПЛЯЕМОСТИ МОРСКИХ СУДОВ
10) ИНФОРМАЦИЯ О НЕПОТОПЛЯЕМОСТИ СУДНА ДЛЯ КАПИТАНА
11) СПОСОБЫ И ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ОСТОЙЧИВОСТИ СУДНА

УПРАВЛЯЕМОСТЬ

1) УПРАВЛЯЕМОСТЬ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
2) ДЕЙСТВИЕ РУЛЯ НА СУДНО
3) ЦИРКУЛЯЦИЯ СУДНА И ЭЛЕМЕНТЫ ЦИРКУЛЯЦИИ

КАЧКА

1) ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ.
2) КАЧКА СУДНА НА ТИХОЙ ВОДЕ
3) КАЧКА СУДНА НА РЕГУЛЯРНОМ ВОЛНЕНИИ
4) УСПОКОИТЕЛИ КАЧКИ
5) ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТАЦЕНТРИЧЕСКОЙ ВЫСОТЫ СУДНА ПО ПЕРИОДУ БОРТОВОЙ КАЧКИ

ХОДКОСТЬ И ДВИЖИТЕЛИ

1) ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
2) СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА СУДНО ПРИ ЕГО ДВИЖЕНИИ
3) ОСНОВНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ ПОЛНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЮ СУДНА
4) НАЗНАЧЕНИЕ СУДОВЫХ ДВИЖИТЕЛЕЙ. ГРЕБНОЙ ВИНТ. ШАГ ВИНТА. ВРШ



1) ПРЕДМЕТ "ТЕОРИЯ СУДНА" И ЕГО РОЛЬ В ПОДГОТОВКЕ СУДОВОДИТЕЛЕЙ
Ответственные задачи стоят перед работниками морского флота по
обеспечению грузовых и пассажирских потоков. Эти задачи могут быть
решены только благодаря качественному улучшению флота, т.е.заменой
старых судов новыми судами современной постройки, специализированными
судами и т.д.
Для эксплуатации современных судов морского флота необходимы
высококвалифицированные кадры моряков. Предмет "Основы теории судна"
является одним из профилирующих в учебном плане подготовки
судоводительских кадров.
Теория судна - одна из древнейших наук. Первый основной закон,
положивший начало изучению мореходных качеств судна был открыт греческим
ученным Архимедом более 2000 лет назад. Это закон плавучести - закон о
действии силы давления воды на погруженное в нее тело.
Огомный вклад в развитие этой науки внесли русские мореходы и ученые С.О.Макаров, А.Н.Крылов, Н.К.Жуковский и многие другие.
Знания в области теории судна позволяют предвидеть и грамотно оценить
поведение судна при его эксплуатации и избежать аварии в сложных
условиях плавания. Выдающийся русский академик А.Н.Крылов говорил:
"Часто истинная причина аварии лежала не в действии неотвратимых и
непреодолимых сил природы, не в "неизбежных случайностях на море", а в
непонимании основных свойств и качеств корабля, несоблюдении правил
службы и самых простых мер предосторожности, непонимании опасности,
которую корабль ставится, в небрежности, неосторожности, отсутствии
предусмотрительности".
Теория судна - это наука о равновесии и движении плавающего судна. Она изучает законы, определяющие мореходные качества судна.
Мореходные качества судна условно можно разделить на две группы.
Первую группу, объединяющую такие мореходные качества, как плавучесть,
остойчивостьи непотопляемость, изучают путем рассмотрения статических
положений судна на спокойной воде, не касаясь его движения при переходе
из одного положения в другое. Поэтому этот раздел теории судна
называется статикой судна.
Основная задача этого раздела - изучение равновесия судна, неподвижного относительно спокойной воды.
При изучении второй группы мореходных качеств определяющими являются
поступательное, вращательное на циркуляции и колебательное движения
судна Этим определяется название второго раздела теории судна - динамика судна.

Основная задача этого раздела - изучение движения судна под действием приложенных к нему внешних сил и моментов.


Мореходные качества определяют надежность и конструктивное
совершенство судна. К мореходным качествам относятся: плавучесть,
остойчивость, непотопляемость, мореходность, ходкость, управляемость
судна.
Плавучестью называется способность судна плавать в требуемом положении относительно поверхности воды при заданной загрузке.
Остойчивость - способность судна, отклоненного
действием внешних сил из положения равновесия, возвращаться в исходное
положение равновесия после прекращения действия этих сил.
Непотопляемостью называется способность судна сохранять достаточную плавучесть и остойчивость после затопления одного или нескольких отсеков.
Мореходность - способность судна противостоять воздействию морского волнения с колебаниями возможно меньшей частоты и амплитуды.
Xодкость - способность судна перемещаться с заданной скоростью.
Управляемостью называется способность судна удерживать заданное направление движения или изменять его в соответствии с желанием судоводителя.


Эксплуатационные качества (измерители судна) определяют транспортные возможности и экономические показатели судна.
Эксплуатационные качества судна определяются его грузоподъемностью,
грузо и пассажировместимостью, скоростью, маневренностью, дальностью
и автономностью плавания.
Грузоподъемность - вес различного рода грузов,
которые может перевезти судно при условии сохранения проектной посадки.
Существует чистая грузоподъемность и дедвейт.
Чистая грузоподъемность - это полный вес перевозимого
судном полезного груза (вес в трюмах и вес пассажиров с багажом и
запасы провизии, воды) при загрузке судна по расчетную осадку (D_Ч)

Дедвейт - (иногда говорят - полная грузоподъемность)
это общий вес перевозимого груза, а также запасов топлива, котельной
воды, масла, экипажа с багажом, запасов всей воды и балласта, т.е.
дедвейт - сумма всех переменных грузов. Величина дедвейта для каждого
судна является постоянной и определяется общим весом переменных грузов,
принятых на судно по расчетную осадку (Dw).
Водоизмещение порожнем - сумма всех постоянных весов,
из которых слагается вес конструкции построенного судна (корпус,
механизмы, судовые устройства, системы и оборудование, инвентарное
снабжение, вес запасов топлива, масла в системе для запуска двигателя и
твердый балласт на некоторых судах) (Do).
Полное водоизмещение - водоизмещение порожнем плюс дедвейт (или водоизмещение в полном грузу).


где D - полное водоизмещение,
Do - водоизмещение порожнем,
Dw - дедвейт.

У современных судов дедвейт составляет 65 - 75 % от полного водоизмещения, у танкеров - 82-85 %.
Грузовместимость - суммарный объем всех грузовых помещений, измеряется в м³
Зерновая вместимость - равна теоретическому объему
грузовых помещений за вычетом объема набора корпуса и других конструкций
внутри помещения (4-5 %).
Киповая вместимость - вместимость по штучному грузу и обычно на 8-10% меньше вместимости по сыпучему г рузу.
Регистровая вместимость (или регистровый тоннаж) -
дает единообразную оценку размеров судна, размеров помещения в мировой
практике. За единицу объема принимают регистровую тонну, равную 2,83 м³ (или 100 куб. футов). Эта мера объема, которую нельзя путать с обычной тонной - мерой веса веса.

Существует валовая вместимость (брутто) и чистая вместимость (нетто).
Валовая вместимость - объем помещении судна,
определяемый по специальным правилам обмера. Этот объем, служащий для
расчета сборов в портах и статистического учета флота, включает полный
объем корпуса судна и его надстроек, за исключением объема двойного дна,
не используемого для размещения топлива, объема помещений, не полностью
защищенных от попадания забортной воды, и некоторых других особо
оговоренных помещений.
Чистая вместимость - условный объем помещений
судна, предназначенных для перевозки грузов или пассажиров, т.е. коммерчески эксплуатируемых помещений.
Измеряется валовая и чистая вместимость в регистровых тоннах. Данные,
полученные в результате обмера судна, заносятся в его мерительное
свидетельство и в списки (регистровые книги) судов.
Скорость хода - эксплуатационное качество судна,
обеспечивающее экономическую эффективность транспортных операций. Чем
выше скорость, тем выше провозная способность судна. Растет скорость с 9
-14 узлов до 30 узлов.
Дальность плавания - расстояние, которое судно может
пройти с заданной скоростью без пополнения запасов. Сейчас суда могут
совершать рейсы 15 000 - 20 000 миль и более.
Автономность плавания - определяется временем работы
судна без пополнения запасов топлива, смазки, провизии и воды. Сейчас от
1 до 2 месяцев. Ледоколы, спец. суда - до 1 года.
Маневренность - способность судна выполнять заданные маневры, изменять направление и скорость движения.
Живучесть - способность судна при получении повреждении сохранять свои мореходные и эксплуатационные качества.



Теоретический чертеж представляет собой графическое изображение
теоретической поверхности корпуса судна, в качестве которой принимается
внутренняя поверхность наружной обшивки (без учета наружной обшивки).
Он образуется путем проектирования различных сечений корпуса судна на
три главные взаимно перпендикулярные плоскости: фронтальную,
горизонтальную и профильную.
За фронтальную плоскость проекции принимают
продольно-вертикальную плоскость, проходящую вдоль всего судна по
середине его ширины и разделяющую судно на две симметричные части -
правую (правый борт) и левую (левый борт). Эту плоскость называют диаметральной плоскостью (ДП).
За горизонтальную плоскость проекции принимают плоскость, проходящую
через самую нижнюю точку корпуса судна перпендикулярно диаметральной
плоскости. Эту плоскость называют основной плоскостью (ОП ).
За профильную плоскость принимают вертикально-поперечную плоскость,
которую проводят посередине проектной (расчетной) длины судна. Эту
плоскость, делящую судно на две части - носовую и кормовую, называют
плоскостью мидель-шпангоута и обозначают знаком .


Для более полного изображения формы обводов на
теоретическом чертеже поверхность корпуса судна рассекают системой
вспомогательных плоскостей, параллельных указанным выше трем главным
плоскостям проекции.
При пересечении поверхности корпуса судна плоскостями, параллельными плоскости мидель-шпангоута, получают кривые линии -
теоретические шпангоуты. Изображение проекции всех
шпангоутов на плоскости мидель-шпангоута называют корпусом.
При пересечении поверхности корпуса судна плоскостями, параллельными диаметральной плоскости, образуются кривые линии - батоксы. Изображение проекции всех батоксов па ДП называют боком.

При пересечении поверхности корпуса судна, плоскостями параллельными основной плоскости, получают кривые линии - теоретические ватерлинии.
Изображение проекции всех ватерлинии на основную плоскость, образует
третью проекцию теоретического чертежа, которая называется - полуширотой.
Пересечение основной плоскости с диаметральной образует основную линию (ОЛ), а пересечение дп с теоретической поверхностью корпуса судна в днищевой части — килевую линию.
Ватерлиния, которая совпадает с поверхностью спокойной воды, при
плавании судна с полной нагрузкой по проектную осадку, называется конструктивной (KВЛ) или грузовой (ГВЛ). Любая другая ватерлиния, соответствующая конкретному случаю нагрузки, называется расчетная.
Для точного построения теоретического чертежа производится мысленное
сечение корпуса рядом дополнительных плоскостей, параллельных основным.
Все линии теоретического чертежа должны иметь плавный характер, кроме мест, где поверхность корпуса имеет переломы.
По внешнему виду теоретического чертежа можно судить о назначении
судна, ето мореходных качествах. Острые образования ватерлинии - признак
того, что судно предназначено для больших скоростей. "Полные"
образования говорят о том, что судно тихоходное. Наклонные носовые
батоксы и развалистые шпангоуты характеризуют хорошую восходимость на
волну, нос не зарывается в воду.
На теоретическом чертеже иногда проекцию "корпус" располагают в
средней части проекции "бок", когда судно имеет значительную
цилиндрическую вставку.
Проектные теоретические чертежи крупных судов выполняют в масштабе 1:100, малых судов - 1: 50 или 1:25.
При постройке судна теоретический чертеж выполняют на плазе в масштабе 1:1 или 1:10.


А.Д. Москаленко, Ю.Н. Павлюченко
Теоретический чертеж
Владивосток, МГУ им. адм. Г. И. Невельского

Учебное пособие http://www.kirdanship.narod.ru/teor_graph.htm


В учебном пособии содержатся указания и рекомендации по
выполнению и оформлению теоретического чертежа. В пособие включено 30 вариантов
заданий, содержащих исходные данные по реальным современным судам различных
типов и размерений. Пособие предназначено для курсантов и студентов, обучающихся
по специальности «Судостроение и судоремонт».


Различают конструктивные, расчетные, наибольшие и габаритные
размерения корпуса судна. К конструктивным размерениям, под которыми
понимают главные размерения, относятся:
- длина судна ( L ) - расстояние по КВЛ между крайними точками пересечения ее с ДП.
- ширина судна ( В ) - наибольшая ширина КВЛ.
- высота борта ( Н ) - расстояние, измеряемое в плоскости мидель-шпангоута от основной плоскости до линии палубы у борта.
- осадка судна ( Т ) - расстояние между плоскостями KBЛ
и основной, измеряемое в сечении, где пересекаются плоскости
мидель-шпангоута и диаметральная.




Н - носовой перпендикуляр, К - кормовой перпендикуляр, L - длина судна, В - ширина судна, Н - высота борта, F - высота надводного борта, Т - осадка.



Размерения, соответствующие погружению судна по расчетную терлинию, называются расчетными.
Наибольшие размерения соответствуют максимальным размерам корпуса без
выступающих частей (штевней, наружной обшивки и т.д.). А габаритные
размерения соответствуют максимальным размерам корпуса с учетом
выступающих частей.
Форма корпуса определяется соотношениями главных размерений и
коэффициентами полноты. Наиболее важными характеристиками являются
отношения:
L/B - значительной степени определяющее ходкость судна: чем больше скорость судна, тем больше это отношение;
В/Т - характеризующее остойчивость и ходкость судна;
Н/Т - определяющее остойчииость и непотопляемость судна;
L/H - от которого в известной степени зависит прочность корпуса судна.
Для характеристики формы обводов корпуса различных судов служат так называемые коэффициенты полноты. Они не дают полною представления о форме корпуса, но позволяют численно оценить главные ее особенности.
Основными безразмерными коэффициентами полноты формы подводного объема корпуса судна являются:
- коэффициент полноты водоизмещения (общей полноты) δ -
это отношение погруженного в воду объема корпуса, называемого объемным
водоизмещением V , к объему параллелепипеда со сторонами L, B, T:

δ= V/(L×B×T)

- коэффициент полноты площади ватерлинии α - отношение площади ватерлинии S к площади прямоугольника со сторонами L,B:

α= S/(L×B)

- коэффициент полноты площади мидель-шпангоута β - отношение площади мидель-шпангоута ω_Ф к площади прямоугольника со сторонами В, Т;

β= ωФ/(В×Т)

- коэффициент продольной полноты φ - отношение объемного водоизмещения V к объему призмы, основанием которой служит
площадь мидель-шпангоута ω_Ф , а длиной - длина судна L:

φ= V/(ωФ×L)=δ/β

- коэффициент вертикальной полноты χ-
отношение объемного водоизмещения V к объему призмы, основанием которой
служит площадь ватерлинии S , а высотой - осадка судна Т:

χ = V/(S×T)=δ/α

Приведенные выше коэффициенты полноты обычно определяются для судна,
сидящего по грузовую ватерлинию. Однако они могут быть отнесены также и к
другим осадкам, причем входящие в них линейные размеры, площади и
обьемы берут в этом случае для действующей ватерлинии судна.

Посадкой называется положение судна относительно спокойной поверхности воды и определяется параметрами:
- Если ДП наклонена на некоторый угол по отношению к вертикальной
плскости, то таким параметром будет угол θ, который называют углом крена;
- если плоскость мидель-шпангоута наклонена на некоторый угол по
отношению к вертикальной плоскости, то таким параметром будет ψ,
называемый углом дифферента.


Посадка судна, при которой плоскость мидель-шпагоута и ДП вертикальны (=0, = 0), называется прямой. Судно, имеющее такую посадку, принято называть сидящим прямо и на ровный киль.
Если θ > 0 ,ψ = 0 , то говорят, что судно сидит на ровный киль, но с
креном; если ψ > 0 , θ = 0, то говорят, что судно сидит прямо, но с
дифферентом. Если судно имеет и крен, и дифферент, то его посадку
называют произвольной.
У судов, имеющих посадку с дифферентом, действующая ватерлиния будет
находиться на равных расстояниях от основной плоскости у носового и
кормового перпендикуляров. Эти расстояния называют соответственно
осадкой носом Тн и осадкой кормой Тк.
Дифферент судна принято определять не углом дифферента ψ, а разностью осадок носом и кормой, т.е. d = Тн - Тк.
Если Тн > Тк - судно имеет дифферент на нос, если Тн < Тк - дифферент на корму. При Tн=Тк судно сидит на ровный киль.
Полусумма осадок носом и кормой называется средней осадкой или осадкой при мидель-шпангоуте:
Тср=(Тн +Тк)/2
Контроль за посадкой судна осуществляется по маркам осадок (маркам углубления), которые наносятся на форштевне, в районе мидель-шпангоута и на ахтерштевне.
Марки осадок соответствуют действительной осадке судна. Марки осадок
наносятся по соответствующим перпендикулярам, с левого борта
обозначаются римскими цифрами и обозначают осадку в футах, на правом
борту - арабскими цифрами - осадку в дециметрах. По мере перехода всех
стран на метрическую систему мер марки углубления во всех странах будут
обозначаться арабскими цифрами.
В настоящее время на судах получают широкое применение осадкомеры -
специальные приборы, показывающие осадку автоматически на ходовом
мостике.

Плавучестью называется способность судна плавать по определенную ветерлинию, неся всю положенную нагрузку.
На судно, как на плавающее тело, постоянно действуют две кагетрии сил;
силы тяжести (вес судна) и силы давления воды (гидростатические силы).
Равнодеиствующая сил тяжести, которая представляет собой сумму сил
тяжести всех элементов судна, определяет вес судна Р. Сила веса при
любых положениях судна всегда направлена вертикально вниз. Точка
приложения силы веса называется центром тяжести судна и обозначается буквой G.
Равнодействующая гидростатических сил является результирующей всех
сил, возникающих вследствие давления воды на поверхность корпуса судна.
Она называется силой плавучести или силой поддержания D'. Сила
плавучести направлена по вертикали вверх. Точка приложения силы
плавучести называется центром величины. Эта точка обозначается буквой С и находится в центре тяжести подводного объема корпуса.


Сила плавучести D', согласно закону Архимеда, равна весу
вытесненной воды в объеме, равном погруженной в жидкость части тела
(корпуса): D' = γ×V. Удельный вес воды γ является переменной величиной.
При выполнении расчетов, связанных с проектированием судов, обычно
принимают γ =10,05 кн/м³ для морской воды и γ = 9,81 кн/м³ для пресной.
Водоизмещение (масса) судна равна массе вытесняемой им воды:
D = ρ×V,

где V - объемное водоизмещение судна, м³ ;
ρ - плотность забортной воды.
Для пресной воды ρ = 1,0 т/м³, для морской ρ= 1,025 т/м³.
Из теоретической механики известно, что для равновесия тела, на
которое действует две системы сил, необходимо и достаточно, чтобы
равнодействующие этих сил были равны по величине и направлены по одной
прямой в противоположные стороны. На основании этого правила для
равновесия судна необходимо и достатчно, чтобы сила плавучести равнялась
весу судна и центр тяжести G и центр величины С лежали на одной
вертикали.
Обозначив координаты центра тяжести G через x_g, y _g,z_g,а координаты центра величины С через x_с, y_с, z_с, можно написать уравнения равновесия:
1) D'=P или γ×V=P
2) X_G=X_C
3) Y _G=Y_C
Аппликаты Z _Gи Z_C характеризующие положение
центра величины и центра тяжести по высоте, не связаны какой-либо
зависимостью, но практически всегда у плавающего судна Z _C< Z_G, т.е. центр величины всегда лежит ниже центра тяжести.
Приведенные выше формулы представляют собой математическое выражение
условий равновесия судна. Уравнения: D' = γ×V, γ×V=P называются основными уравнениями плавучести,
т.к. они устанавливают связь соответственно между водоизмещением
(массой) или весом судна и массой или весом вытесняемой им воды.
При наличии у судна крена и дифферента условие: γ×V=P' остается
неизменным, а второе и третье условия меняются и принимают более сложный
вид. Действительно, в случае посадки судна на ровн:ый киль, но с
креном, условие расположения Ц.Т. и Ц.В. на одной вертикали запишется в
виде:



Это условие вытекает из расмотрения треугольника AGC, лежащего в плоскости мидель-шпангоута.



При посадке судна прямо, но с диффирентом это условие будет иметь вид:


Это уравнение получено из рассмотрения треугольника BGC, расположенного в ДП.



Для определения водоизмещения судна, которое является исходной величиной
при расчетах плавучести, составляют таблицу нагрузки масс судна:

Р_к - масса корпуса, в которую входят сам корпус,
оборудование судовых помещений, судовые устройства и системы,
электрооборудование, средства связи и управления, инвентарь и снабжение;

Р_м - масса механизмов, включающая главные двигатели,
валопроводы и винты, вспомогательные механизмы и трубопроводы МКО,
запасные части и машинный инвентарь.

Р_г - масса груза и пассажиров с багажом и запасами для пассажиров
(провизия, питьевая и мытьевая вода);
Р_т масса запасов топлива и смазочного масла;
Р_э - масса экипажа с багажом и запасами для экипажа (провизия,
питьевая и мытьевая вода).
Сумма всех составляющих определяет массу судна или его водоизмещение с полным грузом (displacement) :


Сумма масс Рк и Рм определяет водоизмещение,
которое принято именовать водоизмещением порожнего судна Do (light
displacement):



Сумма масс Рг; Рт, Рэ определяет массу перевозимого судном полезного груза, который принято именовать дедвейтом
Dw (deadweight). Таким образом, дедвейт определяется массой
транспортируемых грузов и пассажиров с багажом, запасов топлива, масла,
котельной воды, а также экипажа с багажом и запасами провизии, питьевой и
мытьевой воды. Дедвейт определяет предельную грузоподъемность судна и
равен разности водоизмещений судна с полным грузом и порожнего судна:



Масса грузов и пассажиров с багажом составляет оплачиваемый груз или чистую грузоподъемность
Dч (cargo deadweight), которая показывает, какое количество грузов
можно принять на судно при данной грузоподъемности в зависимости от
количества принимаемых на рейс запасов (Рзап).


Dч = Dw - Рзап.



При вычислении координат Ц.Т. судна используется известная из
теоретической механики теорема о статическом моменте равнодействующей
силы: если данные силы приводятся к одной равнодействующей, то момент
равнодействующей относительно какой-либо оси (плоскости) равен сумме
моментов составляющих сил относительно той же оси (плоскости).
Применительно к судну на основании этой теоремы можно написать
уравнения статических моментов относительно основных координатных
плоскостей;
Относительно плоскости XOZ (ДП):


Относительно плоскости УОZ (мидель-шпангоута):


Относительно плоскости XОY (ОП):


Учитывая, что масса судна D = P₁+ P₂+ ... + P_n,из
приведенных уравнений получим расчетные формулы для определения координат Ц.Т. судна:




где X_G, Y_G, Z_G - координаты центра тяжести судна;
P₁, P₂, ... P_n - массы элементов самого судна и перевозимых
на нем грузов;

X₁, X₂, ... , X_n- абсциссы Ц.Т. элеметов самого судна и перевозимых грузов;

Y₁, Y ₂, ... , Y _n - ординаты Ц.Т. элементов самого судна
и перевозимых грузов;
Z ₁, Z ₂, ... , Z _n - аппликаты Ц.Т. элементов самого судна
и перевозимых грузов.


При использовании этих формул координаты Ц.Т. элементов самого судна и
перевозимых на нем грузов берутся с положительным или отрицательным
знаком, в зависимости от положения этих точек по отношению к выбранным
координатным плоскостям. Поскольку подводный объем судна симметричен
относительно ДП ( Yc = 0 ), ордината центра тяжести Y_G также
должна быть равна нулю. В противном случае условия равновесия судна не
будут удовлетворены, и судно будет плавать с креном.
Для вычисления координат центра тяжести судна, с помощью приведенных
выше уравнении необходимо просуммировать массы всех элементов судна и
находящихся на нем грузов, входящих в состав водоизмещения судна.
Вычисление координат Ц.Т. судна принято производить с помощью таблицы
нагрузки масс, в которую кроме массы каждого элемента (статьи) нагрузки
Pi вносят координаты его центра тяжести Xi и Zi и статические моменты
относительно координатных плоскостей Pi× Xi и Pi×Zi.

№ п.п	Статья нагрузки	масса Pi(т)	плечи (м)		моменты (т×м)
			отн. мид. Xi	отн. оп. Zi	отн. мид. Pi×Xi	отн. оп. Pi×Zi
1.	Водоизмещение порожнего судна (Do)
2.	Запасы и экипаж.
	Экипаж с багажом
	Снабжение
	Провизия
	Топливо
	Масло
	Котельная вода
	Пресная вода
	Всего: запасы и экипаж
3.	Грузы
	Трюм №1
	Трюм №2
	...................
	Твиндек №1
	...................
	Палубный груз
	Всего: груза
Водоизмещение судна с полным грузом

Вычисление координат Ц.Т. судна при перемещении груза основывается
на применении известной в теоретической механике теоремы: если в
системе, состоящей из нескольких тел, одно из тел переместится в
каком-либо направлении, то и Ц.Т. всей системы переместится в том же
направлении параллельно перемещению Ц.Т этого тела. При этом величина
перемещения Ц.Т системы составит такую часть от перемещения Ц.Т тела,
какую вес тела составляет от веса всей системы.
Перемещсние тела в произвольном направлении можно заменить тремя
последовательными перемещениями параллельно выбранным главным осям.
Таким образом, общий случай переноса груза на судне можно заменить тремя
частными случаями, а именно: перемещениями по вертикали и перемещениями
по горизонтали вдоль и поперек судна.


Предположим,
что груз Р перемещен по вертикали из трюма на палубу. Водоизмещение
судна d при этом не изменится, но центр тяжести судна переместится по
вертикали в сторону перемещения груза из точки G в точку G₁. Применительно к рассматриваемому случаю вертикального перемещения груза приведенная выше теорема позволяет записать:


где l_z - расстояние, на которое переместился Ц.Т. груза Р в вертикальном направлении.

Для определения нового положения Ц.Т. судна, т.е. аппликаты Z_G1 точки G₁, воспользуемся выражением (1) и подставим вместо отрезка GG₁ разность аппликат Z_G1-Z_G2. Тогда получим;


Если вместо одного груза по вертикали перемещается несколько грузов P₁, P₂, ... P_n, то Ц.Т. судна переместится на расстояние:



где l_Z1, l_Z2, l_Zn - расстояния, на которые перемещены грузы P₁, P₂, ... P_n в вертикальном направлении ( с соответствующими знаками перед плечами l_Z если груз перемещается снизу вверх, плечо берется с плюсом, если сверху вниз - с минусом).
Аппликата нового положения Ц.Т. судна определится из уравнения:



Пусть груз р перемещается пo горизонтали поперек судна из точки А в точку В на расстояние l_у.
Перемещение производится параллельно начальной ватерлинии ВЛ, т.е.
параллельно оси ОУ. Заметим, что такой перенос груза можно представить
как снятие груза в точке А и прием такого же груза в точке В. Если
приложить к судну в этих точках две равные, но противоположные
вертикальные силы,то образуется пара сил на плече l_у, момент
которой, вызовет крен судна. Таким образом, горизонтальное перемещение
груза поперек судна вызовет поперечное наклонение - крен, и ватерлиния займет новое положение В₁Л₁,
т.е. изменится посадка судна. При перемещении груза поперек судна в
горизонтальном направлении Ц.Т. судна, расположенный в точке G,
переместится в том же направлении. Расстояние, на которое перемещается
Ц.Т. судна, по аналогии с предыдущим случаем, определяется выражением:



где l_Y - расстояние, на которое переместился Ц.Т. груза в
горизонтальном направлении поперек судна. В случае переноса нескольких
грузов P₁, P₂, ... P_n расстояние, на которое переместится Ц.Т. судна может быть найдено с помощью формулы:



где у1, у2, ... , уn расстояния, на которые были перемещены грузы P₁, P₂, ... P_n (с соответствующими знаками перед плечами l_y: при перемещении груза слева направо, плечо берется с плюсом, при перемещении справа налево - с минусом).


Допустим, что груз Р перемещен по горизонтали вдоль судна из точки A в точку В на расстояние l_х
. Как в предыдущем случае, такой перенос груза можно представить как
снятие груза в точке А и прием такого-же груза в точке В. Прикладывая к
судну в точках А и В две равные, но противоположно направленные
вертикальные силы, видим, что продольный перенос груза приводит к
образованию пары сил на плече l_х. Момент этой пары сил вызывает дифферент судна, вследствие чего первоначальная ватерлиния ВЛ занимает новое положение В₁Л₁. При перемещении груза Ц.Т. судна переместится из точки G в точку G₁
по горизонтали параллельно направлению перемещения груза Р. Применяя
описанную выше методику, можно определить величину этого перемещения:



где l_х - расстояние, на которое переместился Ц.Т. груза в горизонтальном направлении

вдоль судна. Абсцисса Ц.Т. судна в его новом положении будет:



Если на судне перемещается несколько грузов и на разное расстояние, то перемещение Ц.Т. судна будет:


тогда абсцисса новою положения Ц.Т. судна будет:

Для расчетов дифферента и остойчивости груженного судна, необходимо знать положение Ц.Т. каждой партии груза от миделя - х_i и от киля -z_i Ц.Т. определяется как центр объема партии груза.
Задача легко решается при помощи масштабного чертежа судна, где
одновременно указывается размещение груза по партиям, по отсекам.
Чертится судно по ДП с масштабом по горизонтали 1:200, по вертикали
1:100 на миллиметровой бумаге. Все грузовые помещения разбиты на клетки
размером 5 х 5 мм. Число клеток по каждому грузовому помещению (n_i) подсчитывается отдельно.



Определяем объемный масштаб клетки, т.е. грузовместимость, приходящуюся на одну клетку:
Mтр(тв) = Wтр(тв)/Nтр(тв),

где W - объем отсека, N - количество клеток.
Зная масштабный объем клеток М и объем, занимаемый грузом, определяем число клеток, приходящихся на каждый груз:



где Wгp - объем груза.
Все элементы вносим в таблицу :

Наименование помещения	N тр/тв	W тр/тв	M тр/тв	рельсы		хлопок		и т.д. ...
				Wгр	Nгр	Wгр	Nгр
Трюм №1
..................
Твиндек №1
и т.д.

На основании составленной таблицы делаем чертеж размещения грузов:


На схеме каждый груз закрашивается отдельно, по
количеству занимаемых клеток. Наметив Ц.Т. грузов и запасов, измеряют их
удаление от миделя и киля на чертеже, умножают на масштаб и получают
значения Xi и Zi (в метрах) и записывают в сводную таблицу нагрузки
масс судна.



Допустим, что на судно принят малый груз Р, т.е. такой груз, при приеме
которого обводы корпуса можно считать практически не изменившимися в
пределах приращения осадки. Малым можно считать груз, составляющий 5-10%
водоизмещения судна.



При приеме груза Р водоизмещение судна возрастет на величину ρ×ΔV,
причем значение ΔV определяется объемом слоя между ватерлиниями ВЛ и В₁Л₁.
Для определения приращения осадки судна ΔT после приема груза используем
условие равновесия судна, выражающееся равенством масс груза P и
дополнительного водоизмещения:



Объем добавочного слоя ΔV можно рассматривать как объем цилиндра,
основанием которого является площадь ватерлинии S , а высота равна
изменению осадки ΔТ. Тогда


и формула (1) примет вид:


Отсюда изменение средней осадки будет:


В случае снятия груза с судна его масса P должна быть
введена в формулу (2) со знаком минус. Следовательно, приращение осадки
будет также отрицательным, т.е. осадка судна уменьшится на величину ΔT.
При решении практических задач, связанных с определением изменения
средней осадки судна при приеме или снятии груза, часто пользуются
вспомогательной величиной q_1см , представляющей собой
значение массы (числа тонн) груза, от приема или снятия которой осадка
судна изменится на один сантиметр.
Для того, чтобы получить выражение для q_1см , рассмотрим приращение объемного водоизмещения в случае приема груза.
Если принять обводы судна в районе действующей ватерлинии
прямостенными, то приращение объемного водоизмещения при ΔТ = 0,01 см
составит (в м³): ΔV = 0,01× S .
Масса воды в объеме этого слоя, равная искомой массе q_1см будет:


После подстановки полученного выражения в формулу (2) получаем выражения для определения приращения средней осадки

в сантиметрах: ΔТ = Р/ q_1см (4) и в метрах: ΔT = P/(100×q_1см ) (5)

Аналогичным способом можно определить массу груза, изменяющую осадку судна на 1 дюйм. В этом случае


Из выражений (3) и (6) видно, что величина q
пропорциональна площади ватерлинии S. В свою очередь, площадь ватерлинии
является переменной величиной, т.к. изменяется в зависимости от осадки
судна. Следовательно число q - также переменная величина.
Можно
построить кривую числа тонн на один см (или дюйм) осадки. Для того,
чтобы определить, как изменится осадка Т судна при приеме или снятии
малого груза Р , необходимо по указанной кривой найти значение q_1см при осадке Т,
затем, используя формулу (4), найти новое значение осадки судна:



При переходе судна из одного водного бассейна в другой изменяется
соленость (плотность) забортной воды. При плавании в воде плотностью ρ и
ρ₁ водоизмещение судна соответешенно будет:


где V - объемное водоизмещение судна до перехода в воду другой плотности;

V₁ - объемное водоизмещение судна после перехода.
приравнивая правые части равенств, получим:


Объемное водоизмещение можно выразить через главные размерення L, В, Т и коэффициент общей полноты:


При малых изменениях объемного водоизмещения, например при изменении
солености воды, длина, ширина и коэффициент общей полноты практически
не изменяются. В этом случае изменение водоизмещения происходит за счет
изменения осадки. Таким образом:


Следовательно, при переходе судна из воды одной солености в воду
другой солености осадка его изменяется примерно обратно пропорционально
плотности воды.
Изменение объемного водоизмещения определяется с помощью выражения:


Изменение объемного водоизмещения ΔV можно также рассчитать как объем
слоя с основанием, равным площади действующей ватерлинии S (практически
неизменной в пределах малых изменений осадки), и высотой, равной
изменению средней осадки ΔТ, т.е. V = S×ΔT. Тогда:


Отсюда


При переходе судна из пресной воды (ρ = 1,0 т/м³ ) в морскую (ρ = 1,025 т/м³):


Так как числитель второго сомножителя - величина отрицательная,
изменение осадки ΔТ также будет отрицательным, и судно всплывет, т.е.
осадка судна уменьшится.
При переходе судна из морской воды в пресную:


В этом случае изменение осадки будет положительным, судно погрузится в воду, т.е. его осадка увеличится.

8) КРИВАЯ ВОДОИЗМЕЩЕНИЯ, ГРУЗОВОЙ РАЗМЕР И ГРУЗОВАЯ ШКАЛА

Для определения водоизмещения судна при любой действующей ватерлинии
(осадке) строят кривую, выражающую зависимость водоизмещения от осадки
судна. При этом предполагают, что судно имеет прямую посадку. Для
постройки такой кривой строят сначала кривую объемного водоизмещения, в
зависимости от осадки судна, пользуясь теоретическим чертежом. На этом
же графике наносят кривую водоизмещения, которую получают путем
умножения абсциссы кривой объемного водоизмещения на множитель, равный
плотности воды, или путем непосредственной перестройки масштаба по
горизонтальной оси. При эксплуатации судна широко используется
характеристика плавучести, называемая грузовым размером.
Эта кривая представляет собой ту же кривую водоизмещения, только отсчет
осадок на ней начинается с осадки, соответствующей водоизмещению
порожнего судна (нижняя часчть кривой отбрасывается).
Пользоваться кривой объемного водоизмещения (или грузовым размером)
необходимо следующим образом. Пусть начальное водоизмещение судна
равноV, а соответствующая ему осадка - Т. Принятому грузу Р отвечает
приращение объемного водоизмещения ΔV = P/ρ. Отложив значение ΔV на
оси абсцисс вправо от начального водоизмещения V, в полученной точке
проводим вертикаль. Точку А пересечения этой вертикали с кривой
объемного водоизмещения сносим по горизонтали на ось ординат, где по
шкале осадок Т находим новую осадку судна, а следовательно, и приращение
осадки ΔТ. В случае снятия груза изменение водоизмещения откладывают по
оси абсцисс не вправо, а влево от точки, отвечающей первоначальному
водоизмещению V.
Таким образом, кривая водоизмещения и грузовой размер дают возможность
определить водоизмещение судна при данной его осадке или, наоборот,
осадку судна при заданном водоизмещении без выполнения расчетов. С
помощью этих кривых можно определить изменение осадки судна при приеме
или снятии грузов и т.п.
Часто для этой же цели пользуются грузовой шкалой,
которая состоит из шкал осадок судна, водоизмещения, дедвейта, числа
тонн на 1 см осадки, шкалы момента, дифференцирующего на 1 см и т.д.
Грузовая шкала состоит из двух частей: левая часть показывает
изменение характеристик плавучести при изменении осадки судна в пресной
воде, а правая - при изменении осадки в морской воде.
Грузовая шкала входит в состав основной документации, которой снабжаются
все суда, введенные в эксплуатацию после постройки или капитального
ремонта.

Остойчивость - одно из важнейших мореходных качеств
судна, с которым связаны чрезвычайно важные вопросы, касающиеся
безопасности плавания. Утрата остойчивости почти всегда означает гибель
судна и очень часто экипажа. В отличие от изменения других мореходных
качеств уменьшение остойчивости не проявляется видимым образом, и экипаж
судна, как правило, не подозревает о грозящей опасности до последних
секунд перед опрокидыванием. Поэтому изучению этого раздела теории
корабля необходимо уделять самое большое внимание.
Для того чтобы судно плавало в заданном равновесном положении
относительно поверхности воды, оно должно не только удовлетворять
условиям равновесия, но и быть способным сопротивляться внешним силам,
стремящимся вывести его из равновесного положения, а после прекращения
действия этих сил - возвращаться в первоначальное положение.
Следовательно, равновесие судна должно быть устойчивым или, другими
словами, судно должно обладать положительной остойчивостью.
Таким образом, остойчивость - это способность судна, выведенного из состояния равновесия внешними силами, вновь возвращаться к
первоначальному положению равновесия после прекращения действия этих сил.
Остойчивость судна связана с его равновесием, которое служит
характеристикой последней. Если равновесие судна устойчивое, то судно
обладает положительной остойчивостью; если его равновесие безразличное,
то судно обладает нулевой остойчивостью, и, наконец, если равновесие
судно неустойчивое, то оно обладает отрицательной остойчивостью.
В этой главе будут, рассматриваться поперечные наклонения судна в плоскости мидель-шпангоута.
Остойчивость при поперечных накпонениях, т.е. при возникновении крена,
называется поперечной. В зависимости от угла наклонения судна поперечная
остойчивость делится на остойчивость при малых углах наклонения ( до
10-15 град), или так называемую начальную остойчивость, и остойчивость
при больших углах наклонения.
Наклонения судна происходят под действием пары сил; момент этой пары
сил, вызывающий поворот судна вокруг продольной оси, будем называть кренящим Мкр.
Если Мкр, приложенный к судну, нарастает постепенно от нуля до конечного
значения и не вызывает угловых ускорении, а следовательно, и сил
инерции, то остойчивость при таком наклонении называется статической.
Кренящий момент, действующий на судно мгновенно, приводит к
возникновению углового ускорения и инерционных сил. Остойчивость,
проявляющаяся при таком наклонении, называется динамической.
Статическая остойчивость характеризуется возникновением
восстанавливающего момента, который стремится возвратить судно в
первоначальное положение равновесия. Динамическая остойчивость
характеризуется работой этого момента от начала и до конца его действия.
Рассмотрим равнообъемное поперечное наклонение судна. Будем считать,
что в исходном положении судно имеет прямую посадку. В этом случае сила
поддержания D' действует в ДП и приложена в точке С - центре величины
судна.
Допустим,
что судно под действием кренящего момента получило поперечное
наклонение на малый угол θ. Тогда центр величины переместится из точки С
в точку С₁ и сила поддержания, перпендикулярная новой действующей ватерлинии В₁Л₁,
будет направлена под углом θ к диаметральной плоскости. Линии действия
первоначального и нового направления силы поддержания пересекутся в
точке m. Эта точка пересечения линии действия силы поддержания при
бесконечно малом равнообъемном наклонении плавающего судна называется поперечным метацентром.
Можно дать другое определение метацентру: центр кривизны кривой
перемещения центра величины в поперечной плоскости называется поперечным метацентром.
Радиус кривизны кривой перемещения центра величины в поперечной плоскости называется поперечным метацентрическим радиусом
(или малым метацентрическим радиусом). Он определяется расстоянием от
поперечного метацентра до центра величины С и обозначается буквой r.
Поперечный метацетрический радиус может быть вычислен с помощью формулы:



т.е. поперечный метацентрический радиус равен моменту инерции Iх
площади ватерлинии относительно продольной оси, проходящей через центр
тяжести этой площади, деленному на соответствующее этой ватерлинии
объемное водоизмещение V.



Допустим, что судно, находящееся в прямом положении равновесия и
плавающее по ватерлинию ВЛ, в результате действия внешнего кренящего
момента Мкр накренилось так, что исходная ватерлиния ВЛ с новой
действующей ватерлинией В₁Л₁ образует малый угол
θ. Вследствие изменения формы погруженной в воду части корпуса
распределение гидростатических сил давления, действующих на эту часть
корпуса, также изменится. Центр величины судна переместится в сторону
крена и перейдет из точки С в точку С₁.
Сила поддержания D', оставаясь неизменной, будет направлена вертикально
вверх перпендикулярно новой действующей ватерлинии, а ее линия действия
пересечет ДП в первоначальном поперечном метацентре m.
Положение центра тяжести судна остается неизменным, а сила веса Р будет перпендикулярна новой ватерлинии В₁Л₁.
Таким образом, силы Р и D', параллельные друг другу, не лежат на одной
вертикали и, следовательно, образуют пару сил с плечом GK, где точка К -
основание перпендикуляра, опущенного из точки G на направление действия
силы поддержания.
Пара сил, образованная весом судна и силой поддержания, стремящаяся
возвратить судно в первоначальное положение равновесия, называется
восстанавливающей парой, а момент этой пары - восстанавливающим моментом M_θ.
Вопрос об остойчивости накрененного судна решается направлением действия
восстанавливающего момента. Если восстанавливающий момент стремится
вернуть судно в первоначальное положение равновесия, то
восстанавливающий момент положителен, остойчивость судна также
положительна — судно остойчиво. На рис. 1 показано расположение сил,
действующих на судно, которое соответствует положительному
восстанавливающему моменту. Нетрудно убедиться, что такой момент
возникает, если ЦТ лежит ниже метацентра.



Нa рис. 2 показан противоположный случай, когда восстанавливающий
момент отрицателен ( ц.т. лежит выше метацентра). Он стремится еще
больше отклонить судно из положения равновесия, т.к. направление его
действия совпадает с направлением действия внешнего кренящего момента
Мкр . В
этом случае судно неостойчиво.
Теоретически можно допустить, что восстанавливающий момент при
наклонении судна равен нулю, т.е. сила веса судна и сила поддержания
располагаются на одной вертикали, как это показано на рис. 3.

Отсутствие
восстанавливающего момента приводт к тому, что после прекращения
действия кренящего момента судно остается в наклоненном положении т.е.
судно находится в безразличном равновесии.
Таким образом, по взаимному положению поперечного метацентра m и Ц.Т. G
можно судить о знаке восстанавливающего момента или, иными словами, об
остойчивости судна. Так, если поперечный метацентр находится выше центра
тяжести (рис 1), то судно остойчиво;
Если поперечный метацентр расположен ниже центра тяжести или совпадает с ним (рис.2, 3) судно неостойчиво.
Отсюда возникает понятие метацентрической высоты:
поперечной метацентрической высотой называется возвышение поперечного
метацентра над центром тяжести судна в начальном положении равновесия.
Поперечная мегацентрическая высота (рис. 1) определяется расстоянием от
центра тяжести (т. G), до поперечного метацентра (т. m), т.е. отрезком
mG . Этот отрезок является постоянной величиной, т.к. и Ц.Т. ,и
поперечный метацентр не изменяют своего положения при малых наклонениях.
В связи с этим его удобно принимать в качестве критерия начальной
остойчивости судна.
Если поперечный метацентр будет находиться выше центра тяжести судна, то
поперечная метацентрическая высота считается положительной. Тогда
условие остойчивости судна можно дать в следующей формулировке: Судно
остойчиво, если его поперечная метацентрическая высота положительна.
Такое определение удобно тем, что оно позволяет судить об остойчивости
судна, не рассматривая его наклонения, т.е. при угле крена равном нулю,
когда восстанавливающий момент вообще отсутствует. Чтобы установить,
какими данными необходимо располагать для получения значения поперечной
метацентрической высоты, обратимся к рис. 4, на котором показано
относительное расположение центра величины С,
центра тяжести G и поперечного метацентра m судна, имеющего
положительную начальную поперечную остойчивость. Из рисунка видно, что
поперечная метацентрическая высота h может быть определена по одной из
следующих формул:


Поперечная метацентрическая высота определяется с
помощью последних двух равенств. Аппликата поперечного метацентра Zm
может быть найдена по метацентрической диаграмме. Основные трудности при
определении поперечной метацентрической высоты судна возникают при
определении аппликаты центра тяжести Z_G.






В результате действия некоторого кренящего момента Мкр вместе с появлением крена возникает восстанавливающий момент М_θ. В случае судна с положительной остойчивостью М_θ
действует в сторону, противоположную действию кренящего момента Мкр.
Наклонение судна будет продолжаться до тех пор, пока алгебраическая
сумма обоих моментов не станет равной нулю. Так как моменты действуют в
противоположные стороны, это условие будет выполнено, если
восстанавливающий момент станет
равным кренящему: М_θ = Мкр. Восстанавливающий момент определяется произведением силы на плечо, т.е.:


Плечо GK называют плечом воcстанавливающего момента или плечом статического момента и обозначают буквой l_ст.
Угол между линией действия силы поддержания и ДП равен углу крена θ,
поскольку стороны этого угла перпендикулярны к ватерлиниям ВЛ и В₁Л₁.
С другой стороны, отрезок mG является поперечной метацентрической
высотой, которая обозначается буквой h. Тогда из прямоугольного
треугольника mGK следует:



Подставив равентсво (2) в (1), находим выражение для восстанавливающего момента M_θ при малых углах крена:



При малых углах крена вместо sin θ в формулу (3) можно подставить θ в радианах. Тогда выражение (3) примет вид:



Формулы (3) и (4) являются метацентрическими формулами поперечной остойчивости.
Как видно из метацентрической формулы поперечной остойчивости,
восстанавливающий момент пропорционален поперечной метацентрической
высоте h. Каталось бы, следует стремиться к тому, чтобы судно имело
возможно большее h . Однако чрезмерное увеличение h неблагоприятно
сказывается на характере качки судна - она становится весьма
стремительной, что вызывает большие моменты инерции. Это отрицательно
сказывается на состоянии экипажа, а главное при такой качке больше
вероятность смещения груза и потеря остойчивости, чем при плавной качке.



Для того, чтобы легко и быстро определить значения аппликаты
поперечного метацентра Zm и поперечный метацентрический радиус r при
любых осадке и водоизмещении судна, составляют особую диаграмму, которая
называется метацентрической диаграммой. При построении этой диаграммы
используют значения аппликат цетра величины Zc и поперечных
метацентрических радиусов r, вычисленных для нескольких осадок судна.
Поперечный метацентрический радиус определяют по метацентрической
диаграмме в следующем порядке. На вертикальной оси откладывают осадку Т
(рис.1, а), проводят горизонтальную линию до пересечения со
вспомогательной прямой и через точку пересечения К проводят вертикаль.
Отрезок на вертикали, равный расстоянию от горизонтальной оси (основной
линии) до кривой Zc, дает значение аппликаты центра величины, а отрезок,
равный расстоянию от горизонтальной оси до кривой Zm - значение
аппликаты поперечного метацентра. Поперечный метацентрический радиус
определяют как разность аппликат Zm и Zc, т.е. r = Zm - Zc.


На рис. 1, б) приведен другой вид метацентрической
диаграммы, которая отличается от описанной выше отсутствием
вспомогательной наклонной прямой и расположением масштабных осей.
Метацентрический радиус при помощи этой метацентрической диаграммы
определяют в такой последовательности. На вертикальной оси откладывают
осадку Т, проводят горизонтальную линию, соответствующую данной осадке,
до пересечения ее с кривыми Zc и Zm и замеряют расстояние от точек
пересечения, т.е. точек с и m, до вертикальной оси. Эти расстояния в
выбранном масштабе определяют значения аппликат Zc и Zm.поперечный
метацентрический радиус вычисляют как разность аппликат Zm и Zc.
Существуют и другие типы метацентрических диаграмм. От диаграмм
приведенных на рис. 1, они отличаются только тем, что кроме кривых Zm и
Zc нa них наносятся кривые водоизмещения D и V, которые часто
принимаются за упомянутые выше вспомогательные линии, необходимые при
определении метацентрического радиуса.

Рассмотрим перемещение на судне груза Р в поперечно-горизонтальном направлении к правому борту на расстояние l_y.
Такое перемещение груза вызовет крен и смещение Ц.Т. судна в
направлении, параллельном линии перемещения груза Р. Начальная
поперечная остойчивость при этом не изменится, т.к. аппликаты Ц.В. и
Ц.Т., а также метацентрический радиус и метацентрическая высота не
получат никакого приращения. Сила тяжести судна, приложенная в новом
Ц.Т., и сила поддержания, приложенная в новом Ц.В., будут действовать по
одной вертикали, перпендикулярно новой ватерлинии В₁Л₁;
Судно при этом принимает новое положение равновесия, накренившись
на угол крена θ. Из рисунка следует, что момент, который появляется в
результате перемещения груза поперек судна, можно определить из
выражения:


Восстанавливающий момент можно определить по
метацентрической формуле остойчивости. Судно находится в равновесии под
действием измененной системы сил, поэтому моменты Мкр и М_θ также равны:



Решая это уравнение относительно θ, получим формулу для определения угла крена при поперечном перемещении груза:



Поскольку угол крена мал, последнее выражение можно записать в виде:


Приведенной формулой пользуются в тех случаях, когда углы крена не превышают 10-15 град.


Допустим, что на судне, сидящем на ровный киль и находящемся в равновесии, перемещен по вертикали груз Р на расстояние l_z.
Поскольку водоизмещение судна от перемещения груза не меняется, первое
условие равновесия будет соблюдено ( судно сохранит свою осадку).
Согласно известной теореме теоретической механики, Ц.Т. судна
переместится в точку G₁, находящуюся на одной вертикали с
прежним положением Ц.Т. судна G. Сама вертикаль пройдет, как и прежде,
через Ц.В. судна С. Тем самым будет соблюдено второе условие равновесия,
следовательно, при вертикальном перемещении груза судно не изменит
своего положения равновесия (не появится ни крена ни дифферента).
Рассмотрим теперь ичменение начальной поперечной остойчивости. Ввиду
того, что форма погруженного в воду корпуса судна и форма площади
ватерлинии не изменялись, положение Ц.В. и поперечного метацентра (т. m)
при перемещении груза по вертикали остается неизменным. Перемещается
только Ц.Т. судна из точки G в точку G₁. Отрезок GG₁ может быть найден с помощью выражения:


Если до перемещения груза поперечная метацентрическая высота была h, то после его перемещения она изменится на величину GG₁. В нашем случае изменение поперечной метацентрической высоты Δh = GG₁
имеет отрицательный знак, т.к. перемещение Ц.Т. судна по направлению к
поперечному метацентру, положение которого, как мы установили, остается
неизменным, уменьшает метацентрическую высоту. Следовательно, новое
значение поперечной метацентрической высоты будет:


Очевидно, что в случае перемещения груза вниз перед вторым членом правой части уравнения новой метацентрической высоты h₁ , должен быть поставлен знак плюс (+).
Из выражения (1) следует, что уменьшение остойчивости судна
пропорционально произведению массы груза на его перемещение по высоте.
Кроме того, при прочих равных условиях, изменение поперечной
остойчивости будет относительно меньше, у судна с большим
водоизмещением, чем у судна с малым D. Поэтому на больших судах
перемещение относительно больших грузов безопаснее, чем на малых судах.
Может оказаться, что значение GG₁ перемещения вверх Ц.Т.
судна будет больше самой величины h . Тогда начальная поперечная
остойчивость станет отрицательной, т.е. судно не сможет оставаться в
прямом положении.



В общем случае, при приеме или снятии груза, происходит изменение
средней осадки судна, вследствие изменения водоизмещения, появление
крена и дифферента, из-за смещения линии действия силы веса,
относительно линии действия силы плавучести, и изменение остойчивости, в
результате изменения положения Ц. Т. и Ц. В.
Задачу о влиянии на посадку и остойчивость судна приема некоторого
груза Р в любую точку А с координатами Хр , Yp , Zp можно разделить на
две более простые задачи.
В первой из них рассматривают влияние на посадку и остойчивость приема
груза Р, если Ц.Т. принимаемого груза находится в ДП и на одной
вертикали с центром тяжести площади действующей ватерлинии.
Во второй задаче рассматривают изменение посадки судна при переносе
этого же груза по горизонтали. Такой перенос, как было показано раньше,
не отражается на начальной остойчивости, поэтому ниже рассматривается
только первая задача.
На палубу судна принят груз Р, Ц.Т. которого расположен в ДП на расстоянии z_p от основной плоскости. До приема груза судно имело водоизмещение D₀ и осадку Т. После приема груза водоизмещение судна стало D₁ = D₀ + Р, а осадка Т₁
= Т + ΔТ. При приеме груза меняют положение все три точки,
характеризующие поперечную остойчивость; центр величины - из-за
изменения осадки судна, а, следовательно, и формы погруженного в воду
объема корпуса судна; центр тяжести - вследствие изменения нагрузки
судна, а поперечный метацентр - вследствие изменения формы площади
ватерлинии и объема, погруженной в воду части корпуса судна.
Метацентрическая высота, характеризующая остойчивость судна, вследствие всех названных причин, получит следующее изменение:


Новое значениепоперечной метацентрической высоты после приемаили снятия (расходования) груза будет:


Здесь знак плюс соответствует приему груза, знак минус - его снятию (расходованию).

Допустим,
что на судне имеется груз Р, подвешенный в точке О, расположенной на
расстоянии lу от ДП. Если груз закрепить и в точке g - его Ц.Т., то при
крене судна груз останется на месте и начальная остойчивость судна не
изменится. Если же груз не закреплен, то при крене судна на угол θ центр
тяжести его переместится в сторону крена из точки g в точку g₁ и линия подвеса примет положение перпендикулярно плоскости новой ватерлинии В₁Л₁. Угол между линией подвеса gO до крена и g₁O после крена равен θ.
Такое перемещение груза, как это видно из рисунка, создает дополнительный кренящий момент:


где l_z - возвышение точки подвеса над первоначальным положением Ц.T. груза.
Так как этот момент действует в сторону крена, то восстанавливающий момент уменьшается: М'_θ = M_θ - ΔM. Поскольку M_θ = D' × h × sinθ, то



Выражение в скобках представляет собой новое значение метацентрической высоты судна при наличии подвешенного груза:


Если выразить массу подвешенного груза и водоизмещение в тоннах, то
поправка к метацентрической высоте на влияние подвешенного груза будет:


Таким образом, наличие на судне подвешенного груза приводит к
уменьшению исходной метацентрической высоты, а следовательно, к
уменьшению восстанавливающего момента.
Сравнив полученное выражение с формулой, учитывающей изменение
метацентрической высоты при вертикальном переносе груза, убеждаемся, что
они аналогичны. Это означает, что влияние подвешенного незакрепленного
груза Р на остойчивость равноценно влиянию такого же неподвижного груза
Р, Ц.T. которого перемещен в точку подвеса О.
Из формулы (4) также следует, что значение поправки Δh не зависит от
того, где в данный момент находится груз после отрыва его от палубы.
Изменение метацентрической высоты происходит в момент отрыва груза от
палубы. Сам процесс подъема и опускания груза, не влияет на остойчивость
судна. Поэтому при вычислении поправки Δh длина подвеса l_z определяется длиной, измеренной от Ц.Т. груза, лежащего на настиле двойного дна или на палубе, до точки подвеса.



На судах всегда имеется жидкий груз (балластная вода, топливо,
пресная вода различного назначения и т.д.), а на наливных судах -
штатный перевозимый груз. Если жидкий груз полностью залолняет
отведенный ему объем (цистерну, танк), то при наклонениях судна он будет
вести себя как твердый неперемещающийся груз. Влияние такого груза на
остойчивость аналогично влиянию, которое оказывает на остойчивость
закрепленный твердый груз.
В
действительных условиях эксплуатации судов цистерны или отсеки по
различным причинам оказываются заполненными не полностью. В таком случае
говорят, что емкости имеют свободную поверхность. При наклонении судна
изменится форма объема жидкости в цистерне, а это отражается на посадке и
остойчивости судна.
Допустим, что на судне имеется цистерна, частично заполненная
жидкостью. До того как судно накренилось, Ц.Т. жидкого груза находился в
точке g. При крене жидкость в цистерне сместилась, Ц.Т. ее также
сместился в сторону крена и занял новое положение (точка g₁). Ц.Т. жидкости одновременно является Ц.В. заполненного объема цистерны, поэтому кривая gg₁, представляет собой кривую Ц.В. радиус кривизны r_ж
кривой (по аналогии с наклонением судна) является метацентрическим
радиусом, а точка О - метацентром по отношению к жидкости в цистерне.
Следовательно, с точки зрения влияния на остойчивость, жидкий груз со
свободной поверхностью подобен подвешенному грузу, точка подвеса
которого расположена в метацентре, а длина подвеса равна
метацентрическому радиусу.
Поправка Δh к метацентрической высоте, учитывающая влияние свободной поверхности жидкости, будет:


Где P = ρ_ж × V_ж- масса жидкости в цистерне;
V_ж - объем, занимаемый жидкостью;
ρ_ж - плотность жидкости.
Значение метацентрического радиуса для этого случая можно определить с помощью формулы r_ж = i_x / V_ж, где i_x - момент инерции свободной поверхности жидкости относительно продольной оси, проходящей через Ц.Т. площади этой поверхности.
Если в формуле (1) подставить выражения для Р, r_ж, D, то она примет вид:


Из формулы (2) видно, что поправка на влияние свободной поверхности
жидкости всегда имеет отрицательный знак, т.е. свободная поверхность
жидкого груза, перетекая в сторону наклонения судна, уменьшает
метацентрическую высоту и отрицательно сказывается на остойчивости.
Основное влияние на Δh оказывает величина i_x , зависящая от формы и размеров свободной поверхности. При большой площади свободной поверхности момент инерции i_x,
а, следовательно, и поправка Δh будут столь велики, что поперечная
метацентрическая высота окажется недостаточной и может стать даже
отрицательной.
Момент инерции i_x,
а вместе с тем и вредное влияние свободной поверхности можно уменьшить,
если поставить в отсеках и цистернах переборки вдоль или параллельно
плоскости наклонения судна. Какое влияние оказывают такие продольные
переборки на остойчивость судна, видно из следующего примера. Разделим
отсек на две равные части и будем считать, что свободная поверхность
отсека имеет форму прямоугольника, как это чаще всего бывает.
Если длина отсека l, а ширина b то момент инерции площади всего отсека
относительно продольной оси, проходящей через центр тяжести этой
площади, будет:


Если разделить отсек одной продольной переборкой на две равные
части, то ширина каждой части будет b/2, а суммарный момент инерции
двух отсеков:


т.е. в 4 раза меньше, чем у неразделенного отсека.
Если установить две продольные переборки и определить суммарный момент
инерции свободной площади такого отсека, то можно убедиться, что
переборки уменьшают отрицательное влияние свободной поверхности жидкого
груза на остойчивость пропорционально квадрату числа отсеков.
В заключение приведем ряд рекомендаций по устранению или уменьшению
отрицательного влияния свободной поверхности жидкого груза на
остойчивость судна:

1. При приеме жидкого груза необходимо стремиться к тому, чтобы
   цистерны или отсеки были запрессованы (запрессованными считаются
   цистерны, заполненные на 95 % и более).
   
2. Расходовать рейсовые запасы следует сначала из верхних емкостей, а
   затем - из нижних, причем забирать их надо по очереди из разных
   цистерн, а не одновременно из нескольких.
   
3. При балластировке нельзя принимать забортную воду сразу в несколько балластных цистерн.
   
4. Во время рейса следует избегать приема забортной воды в балластные
   танки и ее удаление из них. Особенно опасна такая операция для судна с
   малой метацентрической высотой, например для лесовозов с грузом леса на
   палубе. Балластировку нужно производить в порту или на базе - убежище, а
   в море - лишь в исключительных случаях с соответствующей расчетной
   проверкой остойчивости.
   
5. При балластировке судна приемом воды в кормовые трюмы, через
   которые проходит туннель гребного вала, не следует доводить уровень выше
   туннеля.
   

Груз, способный пересыпаться, оказывает на остойчивость судна действие, аналогичное действию жидкого груза.
Если жидкий груз можно отнести к категории легко перемещающихся
грузов, которые приходят в движение при малейшем наклонении судна, то
насыпной груз при тех же условиях придет в движение только в том случае,
когда угол крена судна превысит так называемый угол естественного откоса - угол крутизны, при котором насыпной груз, находящийся в куче, еще остается в покое.
Динамика смещения груза весьма сложна. Под влиянием небольшой качки
смещается лишь тонкий слой груза, что не может оказать заметного влияния
на остойчивость судна и практически приводит лишь к выравниванию
поверхности груза, образовавшейся при погрузке. Увеличение количества
пересыпающегося груза с нарастанием угла качки происходит не равномерно,
а с резким переходом при некотором угле крена oт тонкого поверхностного
слоя сразу к достаточно толстому. При некоторых углах крена груз вообще
не смещается, а затем сползает на один борт сразу большим пластом,
причем вновь образующаяся поверхность груза, как правило, бывает плоской
с небольшим повышением у борта, на который происходит крен. Пересыпание
груза вызывает перемещение Ц.Т. судна в сторону крена и, следовательно,
уменьшение восстанавливающего момента. Судно получает дополнительный
крен и может опрокинуться в случае внезапного шквала или приложения
какого-либо другого кренящего момента.
Отсутствие в настоящее время надежных теоретических и
экспериментальных данных по динамике смещения насыпных грузов не
позволяет строго решать задачу об их влиянии на остойчивость судна.
Поэтому мы ограничиваемся только общими сведениями о характере влияния
насыпных грузов на остойчивость судна.
Существуют различные предупредительные меры по ограничению
смещения насыпных грузов:
- разделение трюмов постоянными или временными продольными
переборками. Они должны простираться на высоту, достаточную для
предотвращения
смешения: в твиндеках такие переборки устанавливают от палубы до
палубы. Переборки должны быть достаточно прочными, соответствующим
образом закрепленными и непроницаемыми для данного груза;
- Устройство над грузовыми люками шахт - питателей достаточной емкости (2.5-8 % вместимости отсека );
- при частичном заполнении трюма - выравнивание насыпного груза и укладка сверху мешков с этим грузом.

Изменение остойчивости судна при посадке на грунт обусловлено
следующим обстоятельством: действие реакции давления грунта на корпус
судна равносильно снятию в точке касания груза, равного по весу реакции
грунта. Снятие груза с днища вызывает резкое смещение вверх Ц.Т. судна,
т.е. уменьшает остойчивость.
Допустим, что судно первоначально имело водоизмещение D. После посадки
на грунт осадка его уменьшилась на ΔТ и соответственно изменилось
водоизмещение на величину Р = ρ × ΔV, определяемую объемом оголившегося
слоя ΔV. Поскольку реакция грунта R равна этой отрицательной силе
плавучести оголившегося слоя, она может быть выражена в виде :


Действие реакции давления грунта на корпус равносильно снятию с
судна груза, Ц.Т. которого расположен на днище, поэтому Zp = 0. Тогда,
используя формулу для определения новой метацентрической высоты при
снятии груза с судна, можно определить новое значение метацентрической
высоты при посадке судна на грунт:


Из формулы видно, что для определения новой метацентрической высоты
в случае посадки судна на грунт необходимо найти Р и ΔТ, что
можно делать путем тщательного промера глубин вокруг судна, находящегося
в аварийном положении.


При постройке судна, возможно некоторое перераспределение масс,
вследствие чего возникают расхождения между расчетными и действительными
значениями аппликат Ц.Т. судна и метацентрической высоты. В связи с
этим регистр предписывает уточнять проектные данные о положении Ц.Т.
построенного судна путем проведения так называемого опыта кренования.
Опыту кренования подвергаются головные суда строящихся серий, каждое
пятое судно серии, а также новые суда несерийной постройки. Кроме того,
опыту кренования подвергают каждое судно после капитального ремонта или
переоборудования и суда, остойчивость которых неизвестна или вызывает
сомнения.
Опыт кренования основан на использовании формулы, определяющей угол
крена при перемещении груза в поперечно-горизонтальном направлении. Зная
массу груза Р, перемещаемого в поперечно-горизонтальном направлении,
плечо его переноса l_y, водоизмещение судна D и угол крена θ, возникающий после перемещения груза, можно вычислить метацентрическую высоту судна:


где М_КР - кренящий момент, вызванный переносом груза.
Массу перемещаемого груза, который принято называть крен-балластом, определяют взвешиванием, плечо l_y
- непосредственным замером, водоизмещение D - по кривой водоизмещения
или масштабу бонжана исходя из замеренной осадки судна в момент
кренования.
Определив в результате опыта значение угла θ и подставив его в формулу
(1), получают метацентрнческую высоту судна h. Затем можно вычислить и
аппликату Z_G Ц.Т., предварительно определиd по метацентрической диаграмме величину Z_m:


Опыт кренования проводится в тихую погоду при спокойном состоянии
поверхности воды и отсутствии течения. Скорость ветра не должна
превышать 3 м/с. Судно не должно касаться стенки причала, грунта или
находяшегося рядом судна.
Следует проводить кренование порожнего судна, но со снабжением
находящимся на своих местах. Цистерны различного назначения должны быть
осушены либо запрессованы. Начальный крен не должен превышать 0,5 -1
град.
Крен-балласт принимают на судно в таком количестве, чтобы обеспечить максимальные углы крена 2-4 град.
Для
определения углов крена пользуются весками (нити с подвешенными
грузами), сообщающимися сосудами, инклинографами различных типов и
другими спец-приборами. При использовании весков на больших судах длина
нити должна быть 4-6 м, а на малых - не менее 1,5 м. Груз веска, с
укрепленной на нем крылаткой, из двух взаимно перпендикулярных
пластинок, опускают в бак с водой или маслом, чтобы колебания веска
быстрее прекращались. Весков должно быть не меньше двух (лучше три).
Места подвешивания выбирают по длине судна. Для отсчета углов крена,
вблизи нижнего конца веска, укрепляют горизонтальную деревянную рейку с
нанесенной шкалой. Угол крена, соответствующий перемещению
крен-балласта, определяют по формуле:


где b - отклонение веска, измеренное по рейке;
l - длина веска, измеренная от точки подвеса до шкалы, по которой отсчитываются отклонения.

Кривые
элементов теоретического чертежа представляют собой диаграмму, которая
объединяет кривые, определяющие зависимость изменения значений
теоретических элементов судна (V, Х_C, Z _C, Z _m, Х_f, q _1см, r, R, M_1см)
от его осадки. Поскольку речь идет об элементах судна, связанных с
плавучестью и остойчивостью, т.е. со статикой судна, эту совокупность
кривых часто называют кривыми плавучести и начальной остойчивости.
Следует заметить, что к элементам теоретического корпуса кроме
основных элементов плавучести и элементов остойчивости при малых углах
наклонения следует отнести также геометрические характеристики обводов и
в первую очередь коэффициенты полноты формы корпуса судна (коэффициент
общей полноты δ, коэффициент полноты площади ватерлинии α, коэффициент
полноты площади мидель-шпангоута β) поэтому кривые этих элементов также
включают и кривые элементов теоретического чертежа.
Количество кривых на диаграмме может доходить до 15-20. Для того чтобы
определить необходимые значения элементов теоретического чертежа по
кривым плавучести и начальной остойчивости, на оси осадок нужно наметить
точку, соответствующую заданной осадке, и провести прямую, параллельную
оси абсцисс. Отстояние точки пересечения прямой с соответствующей
кривой от линии отсчета в выбранном масштабе определяет искомые элементы
теоретического чертежа.



В предыдущих темах рассматривалась остойчивость судна при наклонении
его от положения равновесия на малые (начальные) углы крена. При этом в
основу изучення теории начальной остойчивости были положены следующие
допущения:
- при крене судна перемещение Ц.В. происходит по дуге окружности;
- поперечный метацентр находится в точке, которая является центром
этой окружности и не изменяет своего положения при наклонениях;

- значение поперечного метацентрического радиуса остается неизменным.
- равнообъемные ватерлинии пересекаются по прямой, проходящей через Ц.Т. площади ватерлинии, расположенный в ДП судна.
Однако в процессе эксплуатации судна часто возникают наклонения на
большие углы крена. В этих случаях применение перечисленных выше
допущений приводит к неверным результатам. Поэтому была разработана
теория остойчивости судна при больших углах наклонения.
При больших углах наклонения судно нельзя считать прямостенным в
пределах изменения формы подводного объема; симметрия входящей и
выходящей частей площади наклонной ватерлинии значительно нарушается,
что приводит к смещению оси пересечения двух равнообъемных ватерлиний.
Перемещение Ц.В. при больших углах крена происходит уже не по дуге
окружности, а по кривой переменной кривизны. Это равносильно тому, что
поперечный метацентр не остается в постоянной точке m на ДП, как это
было при малых углах крена, а смещается в новую точку. Следовательно, и
расстояние между метацентром и Ц.В. - поперечный метацентрический радиус
- является переменной величиной. Из сказанного следует, что
метацентрическая высота уже не может служить критерием поперечной
остойчивости. По этим соображениям, решая вопросы остойчивости при
больших углах крена, нельзя пользоваться метацентрической формулой
поперечной остойчивости и всеми полученными на ее основании формулами, в
которые входит значение поперечной метацентрической высоты.
Восстанавливающий момент, являющийся мерой статической остойчивости
судна при больших углах крена, будет равен: Мθ = D' × l_ст.
Основная задача расчета остойчивости при больших углах крена сводится к определению плеча l_ст восстанавливающего момента в зависимости от угла крена θ.


Для определения угла крена, возникающего в результате действия на
судно кренящего момента, строят кривую, выражающую зависимость плеч
статической остойчивости от угла крена судна. Построение выполняют в
прямоугольной системе координат: на оси абсцисс откладывают углы крена
(положительные-вправо, отрицательные - влево от начала координат), а по
оси ординат - плечи статической остойчивости. В точках на оси абсцисс,
соответствующих конкретным углам крена, восстанавливают перпендикуляры и
на них откладывают снятые со специальной универсальной диаграммы
отрезки плеч статической остойчивости. Полученные точки соединяют
плавной кривой, которая называется диаграммой статической остойчивости. Диаграмма статической остойчивости имеет вид кривой с ярко выраженным максимумом.
На ней можно отметить три точки, характерные для неповрежденного
судна, обладающего положительной остойчивостью: точку О (начало
координат), определяющую положение устойчивого равновесия; точку А, где
плечо статической остойчивости и восстанавливающий момент имеют
максимальные значения; точку В, определяющую так называемый угол заката диаграммы.
Равновесие накренившегося судна наступает при равенстве кренящего и
восстанавливающего моментов. Чтобы воспользоваться диаграммой
статической остойчивости для определения угла крена, возникающего под
действием заданного кренящего момента М_КР, необходимо найти плечо кренящего момента l _КР = М_КР / D' . Условие равновесия судна можно написать и в таком виде: l _КР = l_θ. Плечо l _КР
откладывают в соответствующем масштабе на оси ординат диаграммы и
проводят горизонтальную линию до пересечения с кривой. В точке
пересечения восстанавливающий момент равен кренящему, и, следовательно,
судно находится в равновесии в наклоненном положении. Точка пересечения
перпендикуляра, опущенного из точки С, с горизонтальной осью диаграммы
определяет угол крена.
Диаграмма статической остойчивости строится для конкретного судна и
соответствует определенным водоизмещению и положению Ц.В. по высоте.
Если у данного судна изменится водоизмещение или аппликата Ц.Т., то
диаграмма статической остойчивости приобретает другой вид. Это
обстоятельство всегда следует иметь в виду, и, прежде чем
воспользоваться диаграммой для решения каких-либо вопросов, касающихся
остойчивости данного судна, необходимо обратить внимание на ее
соответствие имеющейся нагрузке судна. Каждое судно должно быть снабжено
комплектом диаграмм статической остойчивости, характеризующих
остойчивость его при наиболее часто встречающихся случаях загрузки.
Диаграммы статической остойчивости отличаются большим разнообразием
форм кривых, но все они обладают некоторыми общими свойствами:
1. Начальный участок диаграммы статической остойчивости представляет
собой прямую наклонную линию. Это видно, если приравнять две формулы
восстанавливающего момента; метацентрическую формулу поперечной
остойчивости, применимую только для малых углов крена, и формулу
восстананливающего момента, справедливую для любых углов крена, т. е.


При малых углах крена поперечная метацентрическая высота -
постоянная величина, поэтому зависимость между плечом статической
остойчивости l_ст и углом крена θ при малых углах крена является линейной и изображается прямой линией.
2.
Отрезок перпендикуляра, восстановленного из точки на оси абсцисс,
находящейся на расстоянии одного радиана (57,3 град) от начала осей
координат, до точки пересечения его с начальной касательной к кривой,
определяет на диаграмме статической остойчивости поперечную
метацентрнчсскую высоту h, взятую в масштабе плеч статической
остойчивости. Однако графически определять метацентрическую высоту h по
диаграмме статической остойчивости не рекомендуется, т.к. проведение
касательной к кривой не может быть выполнено с необходимой точностью.
3. Восходящая часть кривой диаграммы статической остойчивости
характеризует устойчивое положение равновесия судна, а нисходящая -
неустойчивое.

В судовых условиях часто возникает необходимость произвести расчет и
оценку остойчивости судна. Для построения диаграмм статической
остойчивости суда снабжаются разного рода документацией. К числу такой
вспомогательной документации относятся интерполяционные кривые плеч
формы, или пантокарены, и универсальные диаграммы
статической остойчивости, составляемые в процессе проектирования судна
на основании систематизированных расчетов.
Универсальные диаграммы позволяют строить диаграммы статической
остойчивости судна без каких-либо дополнительных расчетов. Они
представляют собой набор диаграмм статической остойчивости для различных
водоизмещении судна в пределах от водоизмещения судна порожнем до
полного водоизмещения.





Пример построения диаграммы статической остойчивости по универсальной
диаграмме остойчивости для конкретного случая загрузки судна при D = 8
500 т, h = 0,6 м.


При
статическом приложении кренящего момента восстанавливающий момент
постепенно увеличивается вместе с нарастанием угла крена, и эти моменты
взаимно уравновешивают друг друга в течение всего процесса статического
накренения судна. Движение судна происходит равномерно, без угловых
ускорений. Предположим теперь, что к судну, находящемуся в прямом
положении, внезапно приложен кренящий момент, величина которого не
связана с углом наклонения. Тогда график его действия можно изобразить
на диаграмме статической остойчивости прямой линией ЕK параллельно оси
(так действует, например, на судно внезапно налетевший порыв ветра
(шквал), обрыв тяжелого груза, подвешенного на шкентеле вываленной за
борт грузовой стрелы, обрыв
буксирного троса). Под действием этого момента судно быстро
накреняется.
Способность судна противостоять, не опрокидываясь, действию внезапно приложенного кренящего момента называется динамической остойчивостью. Угол крена, на который наклоняется судно при внезапном действии кренящего момента, называется динамическим углом крена θ_дин. Динамический угол крена θ_дин определяют из условия равенства работ кренящего и восстанавливающего момента:


Следовательно, мерой динамической остойчивости служит работа восстанавливающего момента A_θ, которую надо совершить, чтобы накренить судно на угол θ_дин.
(Напомним, что мерой статической остойчивости является
восстанавливающий момент). Работа постоянного кренящего момента при
наклонении судна до угла θ_дин равна произведению момента на угол крена:


На рисунке эта работа графически представлена площадью прямоугольника OED θ_дин.
Поскольку восстанавливающий момент M_КР как функция угла крена задается диаграммой статической остойчивости, работу восстанавливающего момента A_θ, необходимую для накренения судна на угол θ_дин, графически можно изобразить площадью фигуры ОАВ θ_дин. Тогда условие (1) можно записать в виде:


Как видно из рисунка, обе площади включают общую для них площадь OAD θ_дин,
поэтому приходим к выводу, что равенство работ кренящего и
восстанавливающего моментов будет соблюдено, если заштрихованные на
рисунке площади (S_ABD и S_OEA) будут равны.
Отсюда
получаем правило, которое используется для графического решения
уравнения (1): при заданном динамическом кренящем моменте М_КР положение ординаты Вθ_дин подбирают таким образом, чтобы заштрихованные площади оказались равными. Тогда пересечение с осью ординаты Вθ_дин
даст искомый угол
динамического крена. Определить динамический угол крена по диаграмме
статической остойчивости можно лишь приближенно. Задачи, связанные с
динамической остойчивостью, решаются быстрее и точнее с помощью так
называемой диаграммы динамической остойчивости, которая представляет собой кривую, выражающую зависимость работы восстанавливающего момента от угла крена.
Построение
такой диаграммы, являющейся интегральной кривой по отношению к
диаграмме статической остойчивости, производится следующим образом. На
оси абсцисс намечают несколько точек, соответствующих выбранным углам
крена, и восстанавливают перпендикуляр до пересечения с кривой диаграммы
статической остойчивости. Вычислив работу восстанавливающего момента
(выраженную графически соответствующими площадями)
при накренении судна от прямого положения (θ = 0) до заданного угла
крена, на перпендикулярах откладывают ординаты, которые в заданном
масштабе определяют вычисленные значения площадей. Точки ординат
соединяют плавной кривой, которая является диаграммой динамической
остойчивости при данном состоянии нагрузки судна. Чтобы определить
динамический
угол крена на диаграмме динамической остойчивости следует отложить на
оси абсцисс один радиан (57,3 град.) и в полученной точке Н восстановить
перпендикуляр, на котором в масштабе работы откладывается отрезок НС=М_КР
. Соединив точку С прямой с началом координат, получим график работы
постоянного кренящего момента. Абсцисса точки пересечения прямой ОС с
диаграммой динамической остойчивости (точка В) определяет искомый угол θ_дин.
С помощью диаграммы динамической остойчивости может быть решена
обратная задача об отыскании динамически приложенного кренящего момента М_КР по заданному углу крена θ_дин.


Предельные наклонения судна с помощью диаграмм статической и динамической остойчивости можно изобразить следующим образом:


Мы видим, что предельный кренящий момент, действующий статически,
всегда больше предельного кренящего момента, действующего динамически.
Таким образом, для судна быстрое нарастание кренящего момента всегда
более опасно, чем медленное.
Рассматривая вопросы, связанные с действием внезапно приложенного
кренящего момента, мы исходим из предположения, что начальному положению
судна соответствует угол крена, равный нулю (прямое положение). Между
тем в практике эксплуатации судов бывают случаи, когда к началу
внезапного кренящего момента судно уже находится в накрененном положении
в результате действия какого-то кренящего момента. В этой ситуации при
решении задач динамической остойчивости возможны два случая:
1) судно плавает с начальным углом крена в том же направлении, в котором приложен внезапный кренящий момент;
2) судно имеет начальный крен в сторону, противоположную действию внезапного кренящего момента.
Ограничимся рассмотрением способа решения задач по определению
минимального опрокидывающего момента для второго, более опасного случая.
Внезапно приложенный кренящий момент, при котором динамический угол
крена достигает значения статического угла неустойчивого равновесия,
называется минимальным опрокидывающим моментом М_опр.


Допустим, что судно имеет крен -θ_СТ1, созданный первоначально действующим моментом М_КР. Кроме того, на судно действует внезапный кренящий момент М_кр.дин в направлении, противоположном М_КР, т.е. судно имеет крен на тот борт, со стороны которого подействовал внезапный кренящий момент.
В этом случае минимальный опрокидывающий момент определяют следующим
образом. Диаграмму статической остойчивости продолжают в область
отрицательных значений абсцисс на участке, равном углу крена - θ_СТ1. Затем на оси абсцисс откладывают в соответствующем масштабе угол крена - θ_СТ1,
через полученную точку Е проводят вертикальную линию до пересечения с
диаграммой (точка F) и продолжают ее вверх. После этого подбирают такое
положение по высоте линии DК, параллельной оси абсцисс, чтобы
заштрихованные площади FDA и AВК оказались равными. Найденная ордината
ОС соответствует значению минимального опрокидывающего момента М_{КР max дин.}. При наличии крена судна на угол - θ_СТ1, созданного первоначальным кренящим моментом М_КР, абсцисса точки К определяет, угол крена θ_{max дин.}, который при этом получит судно.
По диаграмме динамической остойчивости значения опрокидывающего момента и вызываемого им крена определяют следующим образом:


Продолжают диаграмму в область отрицательных значений абсцисс на участке, равном углу - θ_СТ1. Затем на левой части оси абсцисс отмечают точку Е, соответствующую первоначальному углу крена - θ_СТ1,
и через нее проводят вертикальную линию до пересечения с диаграммой
(точка F). Из точки F проводят касательную FT и горизонтальную прямую,
параллельную оси абсцисс, на которой откладывают отрезок FP, равный
одному радиану (57,3 град.). Из точки Р восстанавливают перпендикуляр до
пересечения с касательной FT в точке Q. Отрезок PQ в масштабе оси
ординат равен минимальному опрокидывающему моменту М_{КР max дин}. При наличии первоначального крена судна на угол - θ_СТ1, абсцисса точки Т дает значение угла крена θ_{max дин}, вызванного моментом М_{КР max дин}.


Пантокарены - это кривые плеч формы l_ф, выражающие зависимость значений плеч формы от водоизмещения судна и угла крена. Пантокарены имеют следующий вид:


С помощью пантокарен определяем значения плеч формы l_ф для различных углов крена θ при заданном водоизмещении судна, а затем находим плечи статической остойчивости по формуле:


где а = Z_G - Z_C.
Затем рассчитываем плечи динамической остойчивости lg через l_ст и θ, учитывая, что диаграмма динамической остойчивости является интегральной кривой от диаграммы статической остойчивости.
Проще всего необходимые расчеты плеч статической и динамической остойчивости можно сделать в табличном виде:


На основании полученных значений плеч строим диаграммы статической и динамической остойчивости.

Остойчивость, которая проявляется при продольных наклонениях судна, т.е. при дифференте, называется продольной.



Несмотря на то, что углы дифферента судна редко достигают 10 град.,
а обычно составляют 2-3 град, продольное наклонение приводит к
значительным линейным дифферентам при большой длине судна. Так, у судна
длиной 150 м угол наклонения 1 град. соответствует линейному дифференту,
равному 2,67 м . В связи с этим в практике эксплуатации судов вопросы,
относящиеся к дифференту, более важны, чем вопросы продольной
остойчивости, поскольку у транспортных судив с нормальными соотношениями
главных размерений продольная остойчивость всегда положительна.
При продольном наклонении судна па угол ψ вокруг поперечной оси Ц.В.
переместится из точки С в точку C1 и сила поддержания, направление
которой нормально к действующей ватерлинии, будет действовать под углом ψ
к первоначальному направлению. Линии действия первоначального и нового
направления сил поддержания пересекаются в точке.
Точка пересечения линии действия сил поддержания при бесконечно малом наклонении в продольной плоскости называется продольным метацентром М.
Радиус кривизны кривой перемещения Ц.В. в продольной плоскости называется продольным метацентрическим радиусом R, который определяется расстоянием от продольного метацентра до Ц.В.
Формула для вычисления продольного метацентрического радиуса R аналогична поперечному метацентрическому радиусу; R = I_F / V , где I_F
момент инерции площади ватерлинии относительно поперечной оси,
проходящей через ее Ц.Т. (точка F); V - объемное водоизмещение судна.
Продольный момент инерции площади ватерлинии I_F значительно больше поперечного момента инерции I_X
. Поэтому продольный метацентрический радиус R всегда значительно
больше поперечного r. Ориентировочно считают, что продольный
метацентрический радиус R приблизительно равен длине судна.
Основное положение остойчивости заключается в том, что
восстанавливающий момент является моментом пары, образованной силой веса
судна и силой поддержания. Как видно из рисунка в результате приложения
действующего в ДП внешнего момента, называемого дифферентующим моментом М_диф,
судно получило наклонение на малый угол дифферента ψ. Одновременно с
появлением угла дифферента возникает восстанавливающий момент М_ψ, действующий в сторону, противоположную действию дифферентующего момента.
Продольное наклонение судна будет продолжаться до тех пор, пока
алгебраическая сумма обоих моментов не станет равной нулю. Поскольку оба
момента действуют в противоположные стороны, условие равновесия можно
записать в виде равенства: М_диф = М_ψ.
Восстанавливающий момент в этом случае будет:



где GK1 - плечо этого момента, называемое плечом продольной остойчивости.
Из прямоугольного треугольника G M K1 получаем:



Входящая в последнее выражение величина MG = Н определяет
возвышение продольного метацентра над Ц.Т. судна и называется продольной метацентрической высотой.
Подставив выражение (2) в формулу (1), получим:



Где произведение D' × H - коэффициент продольной остойчивости. Имея
в виду, что продольная метацентрическая высота Н = R - а, формулу (3)
можно записать в виде:



Где а - возвышение Ц.Т. судна над его Ц.В.
Формулы (3), (4) являются метацентрическими формулами продольной остойчивости.
Ввиду малости угла дифферента в указанных формулах, вместо sin ψ можно подставить угол ψ (в радианах) и тогда:



Поскольку величина продольного метацентрического
радиуса R во много раз больше поперечного r, продольная метацентрическая
высота H любого судна во много раз больше поперечной h. поэтому, если у
судна обеспечена поперечная остойчивость, то продольная остойчивость
обеспечена заведомо.


В практике расчетов наклонений судна в продольной плоскости,
связанных с определением дифферента, вместо углового дифферента принято
пользоваться линейным дифферентом, значение которого определяется как
разность осадок судна носом и кормой, т.е d = Т_Н - Т_К.


Дифферент принято считать положительным, если осадка судна носом
больше, чем кормой; дифферент на корму корму считается отрицательным. В
большинстве случаев суда плавают с дифферентом на корму.
Предположим, что судно, плавающее на ровный киль по ватерлинию ВЛ, под
действием некоторого момента получило дифферент и его новая действующая
ватерлиния заняла положение В₁Л₁. Из формулы для восстанавливающего момента имеем:


Проведем пунктирную линию АВ, параллельную ВЛ, через точку пересечения кормового перпендикуляра с В₁Л₁. Дифферент d - определяется катетом ВЕ треугольника ABE. Отсюда:


Сравнив последние два выражения, получим:

d / L = М_ψ / (D' × H), отсюда М_ψ = (d / L) × D' × H.


Рассмотрим методы определения осадок судна при действии на него
дифферетующего момента, возникающего в результате перемещения груза в
продольно-горизонтальном направлении.


Допустим, что груз р перемещен вдоль судна па расстояние l_x. Перемещение груза, как уже указывалось, может быть заменено приложением к судну
момента пары сил. В нашем случае этот момент будет дифферентующим и равным: М_диф = Р × l_x
× cos ψ уравнение равновесия при продольном перемещении груза
(равенство дифферентуюшего и восстанавливающего моментов) имеет вид:


Поскольку малые наклонения судна происходят вокруг
оси, проходящей через Ц.Т. F площади ватерлинии, можно получить
следующие выражения для изменения осадок носом и кормой:


Следовательно, осадки носом и кормой при перемещении груза вдоль судна будут:


Если учесть, что tgψ = d/L и что D' × H × sinψ = Mψ, можно записать:


где Т - осадка судна при положении на ровный киль;


М_1см - момент, дифферентуюший судно на 1 см.

Значение абсциссы Х_F находят по "кривым элементов теоретического чертежа", причем необходимо строго учитывать знак перед X_F: при расположенииточки F в нос от миделя величина X_F считается положительной, а при расположении точки F в корму от миделя - отрицательной.
Плечо l_xтакже считается положительным, если груз переносится по направлею к носовой части судна; при переносе груза в корму плечо l_x считается отрицательным.

Наибольшее распространение получили шкалы и таблицы изменения
осадок носом и кормой от приема единичного груза, масса которого в
зависимости от водоизмещения выбирается равной 10, 100, 1000 тонн.
В основе построения такого рода шкал и таблиц лежат следующие
соображения. Изменение осадки оконечностей судна при приеме груза
слагается из увеличения средней осадки на величину ΔT и изменения осадок
оконечностей ΔT_H и ΔT_K величина ΔТ не зависит от местоположения принятого гpyза, а значения ΔT_H и ΔT_K
при данной осадке и фиксированной массе груза Р будут изменяться
пропорционально абсциссе Ц.Т. принятого груза Хр. Поэтому, используя
такую зависимость, достаточно вычислить изменения осадок оконечностей от
приема груза сначала в районе носового, а затем кормового
перпендикуляров и построить шкалу или таблицу изменения осадок
оконечностей судна от приема груза массой, например, 100 т. Значения ΔТ,
ΔT_H, ΔT_K вычисляются по формулам.
По полученным приращениям осадок оконечностей судна строим график изменений этих осадок от приема указанного груза.
Для этого на прямой аб намечаем положение мидель-шпангоута и
откладываем в выбранном масштабе вправо (в нос) и влево (в корму)
половину длины судна. Из полученных точек восстанавливаем перпендикуляры
к линии аб. На носовом перпендикуляре откладываем вверх отрезок бв,
изображающий в выбранном масштабе вычисленное изменение осадки носом
при приеме груза в носу. Аналогично на кормовом перпендикуляре
откладываем вниз отрезок аг, изображающий вычисленное изменение осадки носом при приеме груза в корму. Соединив прямой точки в и г, получаем график изменения осадки носом от приема груза массой 100 тонн.


Таким же образом производится построение графика изменения осадки судна кормой от приема груза. Здесь отрезок бд в принятом масштабе изображает изменение осадки кормой при приеме груза 100 т в носу, а отрезок ае - при приеме груза в корму.
Производим градуировку шкал. Над графиком ( или под ним ) проводим две
прямые линии для нанесения шкал изменения осадок: верхнюю - для носа, и
нижнюю - для кормы. На каждой из них отмечаем точки, соответствующие
делениям О (их положение определяется точками пересечения линии аб с графиками вг и ед, т.е. точками ж и р ). Затем между линией аб и графиками вг и ед
подбираем такие отрезки, длина которых в примятом масштабе была бы
равна 30 или 10 см изменения осадки. Такими отрезками при градуировке
шкалы "нос" будут отрезки зи и кл. В результате
получим на шкале деления 30 и 10. Расстояния между 0 и 10, 10 и 20 делим
на 10 равных частей. Размеры этих делений на обоих участках шкалы
должны получиться одинаковыми.
Используя график ед, аналогичным способом строим шкалу для
осадок кормой. При практических расчетах строят несколько шкал изменения
осадок оконечностей от приема 100 тонн груза. Чаще всего строят шкалы
для трех осадок (водоизмещений): осадки порожнего судна, осадки судна с
полным грузом и промежуточную.

При решении задач, связанных с определением дифферента судна,
используются формулы, требующие значительных затрат времени. Кроме того
эти формулы содержат параметры, которые далеко не всегда имеются в
распоряжении судоводителя. Поэтому для сокращения вычислительной работы в
практике эксплуатации судна широко применяются различные шкалы, таблицы
и диаграммы, позволяющие быстро решать вопросы, касающиеся дифферента
судна.
Диаграмма осадок носом и кормой представляет собой два семейства кривых постоянных осадок носом Т_н и кормой Т_к.
По оси абсцисс отложены значения водоизмещения D, по оси ординат -
статические моменты водоизмещения относительно мидель-шпангоута М_х. Положительные значения моментов М_х соответствуют дифференту на нос, а отрицательные - дифференту на корму.


Пунктирные линии на диаграмме соответствуют различному дифференту
судна. На диаграмме осадок оконечностей указано также при какой
плотности воды произведены расчеты, и проведена вспомогательная шкала,
позволяющая определять водоизмещение при различных значениях плотности.

Непотопляемостью называется способность судна
сохранять плавучесть и остойчивость при затоплении одного или нескольких
отсеков, образованных внутри корпуса судна водонепроницаемыми
переборками, палубами и платформами.
Поступление забортной воды в корпус судна, в результате его
повреждения или намеренного затопления отсеков, приводит к изменению
характеристик плавучести и остойчивости, управляемости и ходкости.
Перераспределение сил плавучести по длине судна вызывает дополнительные
напряжения в корпусе судна, который должен сохранить при этом
достаточную прочность. Кроме того, решение задачи об обеспечении
непотопляемости транспортного судна затрагивает ряд очень важных
технико-эксплуатационных показателей.
В процессе расчета непотопляемости определяют посадку судна и
остойчивость судна после затопления одного или нескольких
водонепроницаемых отсеков. Если оказывается, что аварийный крен,
минимальная высота аварийного надводного борта и остойчивость
поврежденного судна лежат в пределах, предусмотренных требованиями к
непотопляемости, то непотопляемость судна считается обеспеченной. В
противном случае принимают меры к улучшению аварийной посадки и
остойчивости.

Непотопляемость, которая является одним из важнейших качеств судна,
обеспечивается конструктивными и предупредительными
организационно-техническими мероприятиями.
Конструктивно непотопляемость обеспечиваю, разделяя корпус судна на
ряд отсеков с помощью водонепроницаемых переборок, палуб и платформ.
Палубу, до которой доходят главные водонепроницаемые переборки, принято
называть палубой переборок. Конструктивно
непотопляемость судна обеспечивается также устройством на судне
осушительных систем, мерительных труб, водонепроницаемых закрытий и т.п.
Большое значение дпя обеспечения запаса плавучести, остойчивости и
прочности судна после затопления отсеков имеет также правильный выбор
соотношений главных размерений судна.
Не менее важное значение для обеспечения непотопляемости имеют
предупредительные организационно-технические мероприятия. Наиболее
важными из них являются: правильная организация личного состава в борьбе
за непотопляемость; систематическая и тщательная подготовка по вопросам
непотопляемости; поддержание в исправном состоянии всех
водонепроницаемых закрытий (дверей, люков, горловин, иллюминаторов);
строгое соблюдение инструкции по приему и расходованию жидких грузов,
балластировки судна в условиях штормовой погоды и устранению свободных
поверхностей жидких грузов; регулярный контроль водонепроницаемости
корпуса судна путем замеров уровней жидкости в льяльных колодцах и
танках двойного дна.

В аварийной ситуации личный состав борется с распространением воды и
добивается восстановления остойчивости и спрямления поврежденного судна
(уменьшение его крена и дифферента). Особенно важно сохранить
достаточную положительную остойчивость после аварии. Известно, что
потеря судном плавучести в результате постепенного затопления является
процессом относительно медленным; опрокидывание же судна вследствие
потери остойчивости происходит неожиданно и обычно влечет за собой
гибель судна и человеческие жертвы.
Таким образом, обеспечение непотопляемости транспортного судна
охватывает большой комплекс вопросов как теоретического, так и
практического характера, решение которых представляет значительные
трудности.
В зависимости от характера затопления различают три категории
затопленных отсеков: отсек первой категории, затопленный полностью;
отсек второй категории, затопленный частично (имеющий свободную
поверхность жидкости), но не сообщающийся с забортной водой; отсек
третьей категории, затопленный частично и сообщающийся с забортной водой
через пробоину в наружной обшивке.
Наиболее просто выполняются расчеты посадки и остойчивости
поврежденного судна после затопления отсеков первой и второй категории.
Так при
затоплении отсеков первой категории проникшая в них забортная вода
может рассматриваться как принятый на судно твердый груз; тогда элементы
посадки и остойчивости судна могут быть определены по формулам, по
которым определяют эти элементы при приеме твердого груза.
В случае затопления отсеков второй категории вода в них может
рассматриваться как жидкий груз, принятый на судно. При этом должно быть
учтено влияние его свободной поверхности на остойчивость.
Особенно сложны расчеты при затоплении отсека третьей категории,
имеющего свободную поверхность и сообщающегося с забортной водой через
пробоину. В этом случае количество воды в отсеке изменяется при
изменении посадки судна, а посадка, в свою очередь, зависит от
количества влившейся воды. Такие расчеты выполняются только в процессе
проектирования судна.


В процессе проектирования транспортных судов вопрос об их
непотопляемости, в конечном счете сводится к проверке правильности
выбора количества и мест расположения водонепроницаемых переборок. Такая
проверка имеет своей целью установить соответствие их размещения тем
требованиям, которые предъявляются регистром. Для морских транспортных
судов нормирование посадки после затопления одного или группы отсеков
производится по предельную линию погружения, которая проходит по борту
ниже бортовой линии палубы переборок на расстоянии 76 мм (3 дюйма) по
всей длине судна. Установить предельную линию погружения необходимо,
т.к. нельзя допустить, чтобы запас плавучести судна был вовсе потерян.
Таким образом, критерием непотопляемости судна после затопления одного
или группы отсеков является положение ватерлинии ниже предельной линии
погружения. Решение вопроса об удовлетворении этому критерию сводится к
установлению такой предельной длины затопления в различных частях
корпуса судна (предельной длины отсека), при которой указанное условие
будет соблюдено. Придельной длиной затопления
называется длина некоторого условного отсека, при затоплении которого
действующая ватерлиния касается предельной линии погружения, не превышая
ее.

Для обеспечения безопасности плавания судно должно обладать определенной потенциальной плавучестью - запасом плавучести,
характеризуемой величиной непроницаемого для воды объема корпуса,
расположенного выше действующей ватерлинии. Следовательно, запасом
плавучести можно считать то количество грузов (или воды), которое судно
может принять сверх уже находящихся на нем до полной потери плавучести.
Запас плавучести обычно выражается в процентах от водоизмещения судна с
полным грузом, т.е. является относительным запасом плавучести. Если
непроницаемый для воды надводный объем корпуса обозначить через V_Н, то относительный запас плавучести выразится отношением:


Относительный запас плавучести различен у судов разных типов и
составляет: для пассажирских судов - около 80 %, сухогрузов - 25 - 50 % и
танкеров - 15 - 25 %.
Сохранение запаса плавучести и его конструктивное обеспечение имеют
жизненно-важное значение для всякого судна. Достаточный запас плавучести
в процессе проектирования и постройки судна достигается рядом
конструктивных мероприятий, к числу которых относятся: обеспечение
достаточной высоты надводного борта, устройство водонепроницаемых
закрытий и разделение судна на отсеки прочными водонепроницаемыми
переборками и палубами. При отсутствии последних, любое повреждение
подводной части судна может привести к полной потере запаса плавучести и
гибели судна. Запас плавучести в этом случае конструктивно не
обеспечен.


Запас плавучести непосредственно связывают с высотой надводного
борта: чем она больше, тем больше запас плавучести. Поэтому высоту
надводного борта судна принимают в качестве основного измерителя запаса
плавучести и регламентация запаса плавучести в определенной степени
сводится к нормированию минимальной высоты надводного борта, допускаемой
с точки зрения обеспечения плавучести судна.
Допустимая высота надводного борта, именуемая в "Правилах о грузовой марке морских судов" (1974 г.) минимальным надводным бортом,
обеспечивает судну запас плавучести, который считается достаточным для
безопасного плавания в определенных районах и в определенное время года.
Высоту безопасного надводного борта устанавливают для каждого судна в
зависимости от его длины, коэффициента общей полноты, седловатости
(продольной погиби) палубы, погиби бимсов и других факторов. При
назначении судну минимального надводного борта принимается во внимание
также его прочность и наличие эффективных средств защиты самого судна и
его личного состава от воздействия среды (закрытия люков, отверстий в
бортах, палубах и надстройках; средства доступа в судовые помещения;
леерные ограждения).

Чтобы избежать перегрузки судна при эксплуатации, установленное
значение надводного борта фиксируют путем нанесения на каждом борту
судна грузовой марки, состоящей из палубной линии, знака грузовой марки и марок, применяемых со знаком грузовой марки.
Различают обычную международную грузовую марку и специальные грузовые
марки, которые наносят на борт некоторых судов помимо обычных марок
(лесовозы, пассажирские суда загран. плавания) или взамен них (наливные
суда, морские суда внутреннего плавания).
Грузовая марка имеет следующий вид:


В международную грузовую марку входит следующий ряд марок:
1. Летняя грузовая марка Л (S - summer) - минимальный надводный борт для летнего плавания судна в морской воде.
2. Зимняя - З (w - winter) - зимний надводный борт, который получают увеличением летнего на 1/48 летней осадки.
3. Зимняя грузовая марка для северной Атлантики -
ЗСА (WNA - winter north atlantic). У судов длиной более 100,5 м этот
минимальный борт совпадает с нормальным зимним. У судов дайной менее
100,5 м он увеличен на 50 мм, т.к. условия плавания судов сравнительно
малых размеров более тяжелые.
4. Тропическая - Т (Т- tropical) - получена путем уменьшения летнего надводного борта на 1/48 летней осадки.
5. Грузовая марка для пресной воды - П (F -
fresh
water) - положение этой марки по высоте определяется вычитанием из
летнего надводного борта значения изменения осадки судна при переходе из
морской воды в пресную.
6. Тропическая марка для пресной воды - ТП (ТF -
tropical fresh water) - ее получают уменьшением тропического надводного
борта на величину изменения осадки при переходе из соленой в пресную.
Буквы Р С на марке обозначают - регистр СССР.
Для лесовозов существует специальная лесная грузовая марка, которая наносится левее знака грузовой марки. Она уменьшает надводный борт, т.к. лес придает судну дополнительную плавучесть.
Пассажирские марки обозначаются литерами С1, С2, СЗ и т.д., расположены перпендикулярно вертикальной линии в корму.
Существует специальная грузовая марка для судов внутреннего плавания. Она имеет вид:


Назначение минимального надводного борта этих судов зависит от района плавания этих судов.
Судам, совершающим международные рейсы, регистром выдается
''международное свидетельство о грузовой марке", которое составляется на
русском и английском языках.

Цель нормирования остойчивости судов - обеспечение необходимой и
достаточной остойчивости для безопасного плавания судов в
эксплуатационных условиях.
Остойчивость судна промеряют по основному и дополнительным критериям.
По основному критерию остойчивости безопасность плавания проверяют в
штормовую погоду. Судно должно, не опрокидываясь, противостоять
одновременному действию динамически приложенного давления ветра и
бортовой качки при наихудшем в смысле остойчивости варианте нагрузки.
Остойчивость судов считается достаточной, если динамически приложенный
кренящий момент давления ветра М_КР равен опрокидывающему моменту М_опр или меньше него, т.е. безопасность судна гарантирована при М_КР≤М_опр.
Отношение М_КР / М_опрназывается критерием погоды К и должен быть равен


Кренящий момент от давления ветра вычисляется но формуле:


где Р_B - условное расчетное давление ветра, Па;
S_n - площадь парусности, м²;
Z_n - отстояние центра парусности от плоскости действующей ватерлинии, м.
Давление ветра Р_В определяется по таблицам "Правил
классификации и постройки морских судов" Регистра в зависимости от
района плавания и значения Z_n.
Опрокидывающий момент М_опр определяется по диаграмме
динамической или статической остойчивости, рассчитанной с учетом влияния
свободной поверхности жидких грузов.
Остойчивость проверяется при всех вариантах нагрузки. Для судов тех
типов, по которым отсутствуют специальные указания, в число вариантов
нагрузки, подлежащих проверке, входят следующие: судно с полным грузом и
полными запасами; судно с полным грузом и 10% запасов; судно без груза с
полными запасами; судно без груза с 10% запасов.
Критерий погоды К считается основным, так как он в какой-то степени
связывает значение остойчивости с оценкой действующих на судно внешних
сил.
Помимо критерия погоды К Правила Регистра регламентируют параметры
диаграммы статической остойчивости. Согласно требованиям Правил,
максимальное плечо диаграммы статической остойчивости морских судов всех
типов должно быть не менее 0.25 м (при длине судна менее 80 м) и не
менее 0,2 м (при длине судна более 105 м) при угле крена более 30 град.
Предел положительной статической остойчивости, характеризуемый углом
заката диаграммы, должен быть не менее 60 град. У судов с отношением В/T
более 2,0 возможно некоторое уменьшение угла заката, соответствующего
максимальному плечу диаграммы.
В качестве дополнительного условия достаточной остойчивости угол максимума диаграммы должен быть более 30 град.
Также правила требуют, чтобы исправленная (с учетом влияния свободной
поверхности жидких грузов) метацентрическая высота у всех судов при всех
возможных вариантах нагрузки была положительной.
Помимо рассмотренных общих критериев остойчивости Правила
предусматривают ряд дополнительных критериев, обусловленных типом судна.
Так, остойчивость пассажирских судов определяют для случая скопления
пассажиров на одном борту и при повороте судна под действием руля (крен
на циркуляции). Остойчивость буксиров проверяют при поперечном рывке
буксирного троса. Таким образом, коротко требования Регистра к
остойчивости морского неповрежденного судна можно выразить так:

1. K = M_КР / M_опр ≤ 1;
   
2. l_ст ≥ 0,25 м (при L ≤ 80 м);
   l_ст ≥ 0,2 м (при L ≥ 105 м);
   
3. h > 0;
   
4. θ_max ≥ 30°;
   
5. θ_зах ≥ 60°.
   

Согласно положениям Правил Регистра остойчивость судна,
перевозящего насыпные грузы, считается достаточной, если: угол
статического крена судна θ_ст не превысит 8 град;
протяженность диаграммы статической остойчивости будет не менее 55 град.
Так же, как для других судов h > 0, l_ст > 0,2 м (при L = 105 м), К ≤ 1.


В условиях плавания любое судно, отвечающее нормам достаточной
остойчивости, можно поставить в опасное положение или привести к
опрокидыванию из-за неправильной эксплуатации или загрузки.
Ответственность за остойчивость судна в процессе эксплуатации
возлагается на капитана, которому, согласно требованиям Регистра,
выдается "Информация об остойчивости судна".
"Информация" в систематизированной форме содержит: сведения об
остойчивости судна при типовых, предусмотренных заранее, вариантах
загрузки; общие рекомендации и конкретные указания относительно
эксплуатационных ограничений, которые необходимо выдерживать, чтобы
обеспечить безопасность судна в отношении опрокидывания (здесь же
приводятся мероприятия по улучшению остойчивости судна); различного рода
вспомогательные графики, таблицы, шкалы, диаграммы и другие материалы,
необходимые для оценки остойчивости при возможных в эксплуатации, но не
предусмотренных заранее, вариантах нагрузки.
"Информация" составляется по материалам опытного кренования судна.
Данные, характеризующие остойчивость судна в типовых условиях нагрузки,
позволяют судоводителю без всяких расчетов количественно оценить
остойчивость при наиболее часто встречающихся в эксплуатации состояниях
нагрузки или же при известном состоянии нагрузки сопоставить
остойчивость судна с близкой к нему и заранее рассчитанной
остойчивостью. В "Информации" имеются специальные стандартные бланки для
каждого типового случая нагрузки, содержащие схему нагрузки судна,
таблицу нагрузки масс, диаграмму статической остойчивости и таблицу
остойчивости судна. В последней указаны нижние пределы основного (по
условиям погоды) и дополнительных критериев остойчивости, при которых
эксплуатация судна считается безопасной.
Указания капитану содержат необходимые рекомендации по управлению судном
на циркуляции и в штормовую погоду, по приему и расходованию жидких
грузов, сведения о мерах предосторожности при перевозке пассажиров, а
также насыпного и лесного грузов.
Материалы для расчета остойчивости при нетипичных случаях нагрузки
содержат: диаграмму предельных допускаемых моментов; диаграмму
предельных возвышений Ц.Т. судна; универсальную диаграмму остойчивости;
чертеж размещения грузов на судне; таблицу для оценки остойчивости судна
по периоду бортовой качки; диаграммы осадок носом и кормой.

Нa вертикальной шкале диаграммы отложены статические моменты М_z, на горизонтальных - водоизмещение судна D и средняя осадка Т_ср.
На диаграмме нанесены кривые предельно допустимых моментов М_{z доп} с обледенением и без обледенения.
Таким образом, для того чтобы пользоваться диаграммой допускаемых
моментов, необходимо знать водоизмещение судна или среднюю осадку и
статический момент М_z. Эти данные определяются в табличной форме (сводная таблица масс нагрузок судна).
К полученному суммарному значению статического момента М_z присоединяют поправку на влияние свободных поверхностей судовых цистерн. Полученное исправленное значение M_z сопоставляют при данном водоизмещении D с допускаемым моментом М_{z доп} по предельной кривой, нанесенной на диаграмме допускаемых моментов.


Если разность М_{z испр} - М_{z доп}
отрицательная, то судно удовлетворяет требованиям норм остойчивости;
если же эта разность положительна, то судно не удовлетворяет требованиям
норм остойчивости и необходимо произвести балластировку судна путем
приема забортной воды в балластные цистерны.
Помимо кривых предельно допустимых моментов на поле диаграммы наносятся кривые постоянных значений метацентрической высоты h.

Вместо диаграмм моментов Правила допускают помещать в "информацию"
графики и таблицы допускаемых значений максимального возвышения Ц.Т.
судна в зависимости от водоизмещения, дедвейта или средней осадки судна.
В этом случае оценка остойчивости судна сводится к сопоставлению
аппликаты Z_G, соответствующей данной нагрузке судна, с предельно допустимой аппликатой Z_{G крит}. Если окажется, что Z_G ≤ Z_{G крит} то судно удовлетворяет требованиям норм остойчивости.


Значения предельно допустимой аппликаты в зависимости от
водоизмещения или осадки судна представляются в виде графика. Таких
графиков может быть несколько (для летнего плавания, для зимнего
плавания в условиях обледенения и т.п.). Поле графика разбивают на зоны
опасного и безопасного плавания.
Если окажется, что при данном состоянии нагрузки судна Z_G > Z_{G крит}, то прибегают к балластировке путем заполнения судовых цистерн жидким грузом.

В нашей стране непотопляемость гражданских морских судов
регламентируется требованиями, изложенными в части V "Правил
классификации и постройки морских стальных судов" Регистра. Эти
требования составлены с учетом положений Международной конвенции по
охране человеческой жизни на море 1960 г.
Согласно Правилам, судно считается удовлетворяющим требованиям к
посадке в поврежденном состоянии, если расстояния между его главными
поперечными переборками не превышают допустимой длины отсека,
определяемой по кривой допустимых длин отсека. Если фактор подразделения
не равен единице, половине или одной трети, то при проектировании
судна, независимо от проверки расположения поперечных переборок, должны
быть выполнены расчеты его посадки с затопленными отсеками. Результаты
расчетов должны показать, что аварийная ватерлиния ни в одной точке не
пересекает предельной линии погружения.
Правилами выдвигается ряд требований к остойчивости поврежденного
судна. Эти требования считаются выполненными, если при затоплении
одного, двух или трех любых смежных отсеков (в зависимости от значения
фактора подразделения) начальная поперечная метацентрическая высота,
определенная методом постоянного водоизмещения, составляет не менее
0,003 ширины судна или 0,05 м (смотря по тому, что больше).
Правила указывают также, что угол крена поврежденного судна при
несимметричном затоплении до спрямления не должен превышать 15°, а после
спрямления - 7°
для пассажирских судов и 12° для прочих судов.
Аварийная ватерлиния должна проходить до спрямления, по крайней мере, на
0,3 м ниже отверстий, через которые возможно дальнейшее распространение
воды по судну, а после спрямления - ниже предельной линии погружения.
Диаграмма статической остойчивости поврежденного судна должна иметь
достаточную площадь участков с положительными плечами. При этом в
конечной стадии затопления, а также после спрямления требуется
обеспечить значение максимального плеча статической остойчивости не
менее + 0,1 м, а протяженность части диаграммы с положительными плечами
при симметричном затоплении не менее 30°, и при несимметричном 20°.

Правила требуют, чтобы при проектировании судна была разработана
"информация об аварийной остойчивости и посадке судна", с помощью
которой капитан сможет учитывать, при эксплуатации судна требования,
связанные с непотопляемостью, и оценивать состояние судна при затоплении
отсеков, для принятия необходимых мер по сохранению поврежденного
судна. В "информации" должны быть приведены следующие данные:

• сведения о судне, схематический чертеж его продольного разреза,
  планы палуб и двойного дна, а также характерные поперечные сечения с
  указанием всех непроницаемых переборок и выгородок, отверстий в них,
  характера закрытий этих отверстий и приводов, а также схемы систем,
  используемых при борьбе за живучесть судна;
  
• инструктивные данные по загрузке и балластировке судна с
  рекомендациями по целесообразному в отношении принятого деления на
  отсеки распределению грузов между трюмами, одновременно удовлетворяющему
  условиям дифферента, остойчивости и прочности судна в целом; указания
  на случаи таких повреждений и загрузки, при которых требования правил не
  удовлетворяются;
  
• сводку результатов расчетов симметричного и несимметричного
  затоплений, в которой должны быть приведены данные об исходной и
  аварийной осадке,
  крене, дифференте и метацентрической высоте как до, так и после
  принятия мер по спрямлению судна или улучшению остойчивости, а также
  рекомендуемые меры и необходимое для их выполнения время; должны быть
  приведены характеристики диаграмм статической остойчивости для худших
  случаев затопления судна.
  

Taкая "информация" составляется на основании результатов опытного
кренования судна и по данным "информации об остойчивости судна".


Для оценки остойчивости судна в эксплуатационных условиях Региср
рекомендует применять специальные приборы. Существует много различных
конструкций таких приборов. В основу одних положен принцип
кинематической связи различного рода деталей приборов (маховичков,
роликов, шестерен и т.п.) с нанесенными шкалами или диаграммами,
рассчитанными в конструкторском бюро и учитывающими индивидуальные
особенности данного судна. Другие приборы основаны на принципе
моделирования нагрузки судна с помощью масштабных грузов или напряженных
пружин. К последним можно отнесли и электрические приборы, основанные
на электрическом моделировании нагрузки судна.
Все приборы, предназначенные для контроля остойчивости судна, делятся на две основные группы.
К первой группе относятся приборы для определения показателей
остойчивости до начала загрузки судна. Исходными данными для приборов
этой группы являются величины, входящие в состав нагрузки масс судна:
дедвейт или водоизмещение, моменты водоизмещения по высоте М_z и по длине М_х,
массы принимаемых или снимаемых грузов, значения аппликат их центров
тяжести. Кроме того, обязательно вносят поправки, учитывающие влияние
свободных поверхностей жидких грузов.
На основании указанных исходных данных с помощью приборов определяют
следующие характеристики остойчивости: осадки носом, кормой и среднюю,
угол заката и угол максимального плеча диаграммы статической
остойчивости, максимальное плечо, поперечную метацентрическую
высоту.
К наиболее распространенным приборам первого типа относятся: прибор
остойчивости и дифферента Благовещенского, прибор остойчивости и
дифферента Козлова, прибор ПКЗОC-1, шведский прибор "Сталодикатор".

Вторую группу составляют приборы, позволяющие контролировать,
остойчивость во время рейса. Основанные на измерении периодов качки
судна или углов крена, эти приборы имеют следящую систему для получения
исходных данных и счетно-решающую часть, обрабатывающую эти данные с
последующей выдачей результатов вычислений.
Исходными данными обычно служат углы крена судна при искусственно
заданном кренящем моменте или период собственных колебании судна. С
помощью таких приборов получают значение аппликаты центра тяжести и
метацентрической высоты и по этим данным по пантокаренам приборы
"вычерчивают" всю диаграмму статической остойчивости или ее начальный
участок.
Наиболее распространены приборы, основанные на измерении периода колебании судна.
Принцип действия приборов другого типа основан на зависимости между
угловым ускорением при бортовой качке и метацентрической высотой. К
таким приборам относятся, например, маятниковые приборы.
В настоящее время большинство вопросов, связанных с загрузкой судна,
расчетом посадки и остойчивости судна и т.п. могут быть автоматизированы
с помощью персональных компьютеров при наличии соответствующих
программ. Использование персональных компьютеров дает большие
возможности и в значительной мере упрощает процесс расчетов. Главное,
чтобы в этой ситуации не происходил "эффект передоверия прибору".
Имеется в виду, что человек, использующий вычислительную технику, должен
сам в совершенстве владеть теми вопросами, которые он пытается решить с
помощью прибора.


Управляемостью называется
способность судна сохранять заданное направление движения, т.е. быть
устойчивым на курсе или изменять его по желанию судоводителя под
действием руля. Таким образом, управляемость объединяет два качества
судна - устойчивость на курсе и поворотливость.
Устойчивостью на курсе называется способность судна сохранять прямолинейное направление движения в соответствии с заданным курсом. Поворотливость - это способность судна изменять направление движения и двигаться по заранее выбранной судоводителем криволинейной траектории.
В море на судно, совершающее поступательное движение, оказывают
влияние многие факторы: ветер, волнение, течение, неравномерность работы
гребных винтов и руля и т.п. их действие трудно поддается
количественному учету, но все они стремятся внести возбуждение в режим
движения судна. Практически способность судна держаться па курсе
достигается путем периодической перекладки руля. При этом, чем меньше
углы перекладки руля и число перекладок в единицу времени, тем большей
устойчивостью на курсе обладает судно.
Анализируя понятие устойчивости судна па курсе и требования по ее
обеспечению, можно установить, что это качество судна находится в
некотором противоречии с другим его качеством - поворотливостью. Как
известно всякое улучшение устойчивости на курсе связано с ухудшением
поворотливости и наоборот. Потому при проектировании судна для
обеспечения наилучшей управляемости стремятся найти наиболее
целесообразное сочетание устойчивости судна на курсе и его
поворотливости, соответствующее техническому заданию, т.е. назначению
судна и условиям его плавания.
Управляемость судна обеспечивается специальными средствами
управления, назначение которых - создавать силу (перпендикулярную ДП),
вызывающую боковое смещение судна (дрейф) и поворот его вокруг
продольной (крен) и поперечной (дифферент) осей.
Средства управления подразделяются на основные и вспомогательные.
Основные средства - рули, поворотные насадки, крыльчатые движители -
предназначены для обеспечения управляемости судна во время его движения.
Вспомогательные средства обеспечивают управляемость судна на предельно
малых ходах и при движении по инерции с неработающим г. д. К этой
группе относятся подруливающие устройства различных типов, активные
рули. При проектировании рулевого устройства необходимо учитывать
назначение судна. Так, суда дальнего плавания проходят значительные
расстояния, придерживаясь одного направления, в то время как суда,
совершающие частые заходы в порты, а также портовые и другие суда,
работающие на ограниченных акваториях, проходят небольшие расстояния при
частых реверсах и переменах курса. Очевидно, что для судов первой
группы основным требованием является хорошая устойчивость на курсе, а
для второй группы - хорошая поворотливость. Следует подчеркнуть, что для
судов, особенно транспортных, сохранение устойчивости на курсе - это
фактор, обеспечивающий их экономические показатели, так как плохая
устойчивость на курсе непроизвольно удлиняет рейсовое время, которое
служит одним из основных эксплуатационных показателей транспортных
судов.

При движении судна в результате перекладки пера руля
на угол α, на нем, под действием потока воды будет возникать
результирующая разности давлений со стороны потока на внутреннюю и
внешнюю поверхности крыла. Кроме сил давлений на всю поверхность крыла
вдоль хорды профиля действуют силы сопротивления, обусловленные
вязкостью жидкости.
Результирующие всех сил давления и сил сопротивления можно заменить
одной равнодействующей Р, которая называется равнодействующей
гидродинамических сил, действующих на крыло. Силу Р принято
характеризовать ее проекциями на направление скорости невозмущенного
потока и направление, перпендикулярное ему. Проекция силы Р на
направление скорости потока V₀ называется лобовым сопротивлением Р_х, а проекция той же силы на направление, перпендикулярное скорости потока - подъемной силой Р_у .
Очевидно, что сила лобового сопротивления Р_х, направленная в
сторону, противоположную движению судна, вызывает торможение судна и
уменьшение, таким образом, его скорости. Сила Р_y направлена перпендикулярно ДП и вызывает на переднем ходу смещение кормы судна влево. Сила Р_y - полезная сила, обеспечивающая разворот судна при перекладке руля.


При перекладке пера руля на угол, больший 35°, подъемная сила Р_у становится незначительной, а сила лобового сопротивления Р_х, уменьшающая скорость судна, увеличивается. Поэтому на практике угол перекладки руля, как правило, не бывает больше 35°.
Практика плавания показывает, что управляемость на заднем ходу всегда
значительно хуже, чем на переднем, а во многих случаях суда
почти не
управляются даже в условиях спокойной воды.

Допустим, что судно совершает установившееся прямолинейное
движение, причем направление скорости судна совпадает с диаметральной
плоскостью. Пусть в некоторый момент на этом судне произведена
перекладка руля на заданный угол. В результате судно начинает совершать
движение по криволинейной траектории.
Криволинейная траектория, которую описывает центр тяжести судна при
перекладке руля на некоторый угол и последующем удержании его в этом
положении, называется циркуляцией.
Различают три периода циркуляции: маневренный, эволюционный и период установившейся циркуляции.
Маневренный период циркуляции определяется началом и концом перекладки
руля, т.е. по времени совпадает с продолжительностью перекладки руля. В
этот период судно продолжает двигаться практически прямолинейно.
Эволюционный период циркуляции начинается с момента окончания перекладки
руля и заканчивается, когда элементы движения примут установившийся
характер, т.е. перестанут изменяться во времени. Период установившейся
циркуляции начинается с момента окончания эволюционного периода и длится
все время, пока руль судна находится в переложенном положении.
Траектория криволинейного движения центра тяжести судна, т.е. его циркуляция характеризуется следующими элементами:
Диаметр установившейся циркуляции Дц - диаметр
окружности, описываемой судном в установившийся период циркуляции,
который начинается после поворота судна на 90-180°;
Тактический диаметp циркуляции Дт - кратчайшее
расстояние между положением диаметральной плоскоскости судна в начале
поворота и после изменения первоначального курса на 180°;
Выдвиг l₁
расстояние, на которое смещается центр тяжести судна в направлении
первоначального курса от точки начала циркуляции до точки,
соответствующей изменению курса судна на 90°;
Прямое смещение l₂ - расстояние от первоначального курса судна до точки положения центра тяжести в момент поворота судна на 90°;
Обратное cмещение l₃ - наибольшее расстояние,
на которое смещается центр тяжести судна от линии первоначального курса в сторону противоположную повороту.
Значение элементов циркуляции, выражаемых в долях диаметра циркуляции Д_ц, лежат в относительно узких пределах и для судов различных типов изменяются следующим образом:

Д_т = (0,9 ± 1,2) × Д_ц;
l₁ = (0,6 ± 1,3) × Д_ц;
l₂ = (0,25 ± 0,5) × Д_ц;
l₃ = (0 ± 0,1) × Д_ц.

Для морских транспортных судов Д_т составляет 4-6 длин судна. Кроме указанных элементов к характеристикам циркуляции относят:
- период установившейся циркуляции Т - время поворота судна на 360°;
- угловую скорость вращения судна на установившейся циркуляции ω = 2π / Т.
Если на судне, идущем прямым курсом, внезапно переложить руль, то в
первый момент после начала перекладки на судно действуют следующие силы:
поперечная составляющая Р_у сил, действующих на руль; поперечная составляющая R_y сил, действующих на погруженную часть корпуса
судна; поперечная составляющая центробежных сил инерции судна F_ц. Линия действия этой силы направлена в сторону поворота судна.


Все указанные силы располагаются в различных плоскостях по высоте.
Таким образом, в первый момент после перекладки руля суммарный момент
всех приведенных сил вызывает небольшой крен судна на тот борт, на
который переложен руль. В результате такого накренения судна и действия
поперечной составляющей Р_у на руле возникает дрейф судна и обратное смещение l₃
- смещение судна в сторону, противоположную повороту. Траектория
циркуляции искажается. Обратное смещение не превышает половины ширины
судна, но при маневрировании в стесненных условиях учитывать его нужно,
так как оно выносит судно за внешнюю сторону циркуляции.
По мере изменения кривизны траектории центробежная сила уменьшается, а
затем меняет знак, т.е. изменяет направление действия на
противоположное. Одновременно происходит нарастание момента от силы R_y вследствие увеличения угла дрейфа и уменьшение момента от силы Р_y
из-за снижения скорости судна. В результате изменения характера
действия указанных сил, и моментов, судно сначала выпрямляется, а затем
начинает крениться в сторону, обратную направлению перекладки руля.
Причем угол крена оказывается тем больше, чем больше скорость судна на
циркуляции, угол перекладки руля и чем меньше метацентрическая высота
судна.

В результате такого крена и действия поперечной составляющей P_у
на руле диаметральная плоскость судна на циркуляции не совпадает с
касательной к криволинейной траектории движения центра тяжести, т.е.
образуется угол дрейфа - b₀. Нос судна смещается внутрь
кривой циркуляции, а корма заносится во внешнюю сторону. С увеличением
скорости судна угол
дрейфа увеличивается. Из-за наличия угла дрейфа судно на циркуляции
занимает полосу воды больше ширины судна. Это необходимо учитывать при
маневрировании в узкости. Во время поворота вследствие тормозящего
действия руля и появления угла дрейфа возрастает сопротивление воды
движению судна, что приводит к уменьшению скорости. Потеря скорости на
циркуляции в некоторых случаях может достигать 50 %.

Качкой судна называются колебательные движения, совершаемые судном
относительно положения равновесия. В основном качка возникает под
действием гидродинамических сил, обусловленных возмущающим эффектом
ветрового волнения.
Цель изучения качки судна и ее законов - выявить вредные последствия
качки и разработать рациональные мероприятия по предотвращению или
смягчению этих последствий. Степень подверженности судна качке
характеризуется его мореходностью: чем меньше судно подвержено качке,
тем оно более мореходно.
К вредным последствиям качки относятся: уменьшение скорости судна
вследствие увеличения сопротивления воды движению судна и ухудшения
режима работы движителей; возникновение добавочных усилий, вызванных
силами инерции и ударами волн, что может привести к местным разрушениям
корпуса и отдельных устройств судна; нарушение нормального режима работы
механизмов, устройств и различных приборов вследствие воздействия сил
инерции; заливание палубы, затрудняющее обслуживание механизмов и
отдельных устройств, расположенных на палубе и выше нее; ухудшение
условий обитаемости судна, вредное физиологическое воздействие на людей,
находящихся на судне.
Опасными последствиями качки являются: опрокидывание судна из-за
потери остойчивости в результате появления больших углов крена или
значительное уменьшение остойчивости вследствие смещения грузов, приема
большого количества воды на палубу и т.д.; разрушение (излом) корпуса
из-за потери общей продольной прочности.
При изучении колебательных движений судна различают качку на тихой
воде и качку на волнении. Свободная качка на тихой воде происходит после
прекращения действия сил, которыми судно было выведено из равновесия, а
затем предоставлено самому себе. Такие колебания быстро затухают
вследствие действия сил сопротивления воды. Однако некоторые параметры и
характеристики качки судна на тихой воде существенно влияют на
параметры вынужденной качки на волнении, поэтому их необходимо изучать.
Вынужденная качка вызывается периодически изменяющимися силами давления,
возникающими при повышении и понижении уровня воды у бортов судна при
плавании на взволнованной поверхности воды.
В зависимости от направления колебаний судна относительно устойчивого положения равновесия различают три вида качки: бортовую - вращательные колебательные движения в поперечной плоскости; килевую - вращательные колебательные движения в продольной плоскости; вертикальную - поступательные колебательные движения относительно плоскости ватерлинии, соответствующей статическому равновесию.
Такое разделение качки облегчает и упрощает ее изучение, позволяет
установить основные зависимости и получить необходимые для практических
целей выводы.
Качку судна, как всякое колебательное движение, характеризуют следующие параметры: амплитуда качки θ - наибольшее отклонение судна от положение равновесия; размах качки - удвоенная амплитуда или полное перемещение судна из одного крайнего положения в другое; период качки Т - время, в течение которого судно совершает одно полное колебание; частота качки n - число полных колебаний судна за время 2π сек. Период и частота качки связаны соотношением: Т = 2π/n.


Качка судна на тихой воде, которая происходит после прекращения
действия некоторого начального возмущения, представляет собой
собственные (свободные) колебания. Рассмотрим три основные виды качки,
которые на спокойной воде теоретически могут существовать независимо
друг от друга: бортовую, килевую и вертикальную.
Бортовая качка. Бортовой качкой на тихой воде
называют вращательное колебательное движение судна вокруг продольной оси
с попеременным креном на левый и правый борта. Такую качку можно
вызвать перебежкой людей по палубе с борта на борт, быстрым выносом
груза стрелой или краном за борт ...
Бортовая качка судна на тихой воде характеризуется амплитудой бортовой качки θ_m и периодом собственных колебании Т_θ:


Где С = 0,36 - 0,43 - коэффициент, значение которою зависит от типа
судна; В - ширина судна; h - метацентрическая высота. Это выражение
называется капитанской формулой. Хотя ее точность
относительно невелика, она, благодаря своей простоте, широко
применяется, например, для определения метацентрической высоты судна по
периоду бортовой качки Т_θ.
Анализируя эту формулу, можно сделать вывод, что период бортовой качки
на тихой воде не зависит от ее амплитуды. При этом увеличение
остойчивости судна уменьшает период качки судна, т.е. чем больше
метацентрическая высота h, тем меньше период качки Т_θ.
Килевая и вертикальная качка. Килевой качкой судна на
тихой воде называют вращательные колебательные движения судна
относительно поперечной оси, вызывающие попеременный дифферент на корму и
на нос.
Физическая сущность, продольных колебаний при килевой качке остается
такой же, как и при бортовой, хотя продольные колебания имеют, некоторые
особенности, например: они быстро затухают из-за большого сопротивления
воды.
Как показывают опытные данные, до полной остановки судна при килевой качке на тихой воде требуется лишь 3 - 5 размахов.
Килевая качка характеризуется амилтудой θ_ψ и периодом собственных колебании Т_ψ :


Следует иметь ввиду, что эта формула является весьма приближенной.
Вертикальной качкой судна на тихой воде называют
поступательные движения судна вдоль вертикальной оси, вызывающие
попеременное уменьшение и увеличение осадки.
Вертикальная качка, как самостоятельный вид колебательных движений,
возможна только в том случае, если Ц.Т. входящего в воду слоя будет
находиться на одной вертикали с Ц.Т. судна. Это условие практически
неосуществимо, пэтому вертикальная качка обязательно сопровождается
килевой. Периоды собственных колебаний вертикальной и килевой качки на
тихой воде практически равны.

Бортовая качка. Бортовая качка судна на регулярном
волнении может быть представлена как сумма двух гармонических колебаний
- собственных колебании с частотой n_θ бортовой качки на тихой воде без учета сопротивления воды и вынужденных колебании с частотой волны σ и амплитудой качки θ_m.
На регулярном волнении, которое имеет место, например, при мертвой
зыби или при качке модели судна в опытовом бассейне, на искусственно
создаваемых регулярных волнах, собственные колебания быстро затухают
вследствие влияния сопротивления воды, и колебания судна по истечении
некоторого времени становятся чисто вынужденными. Амплитуда вынужденных
колебаний при бортовой качке без учета сопротивления воды, согласно
выводам линейной теории качки, может быть вычислена по формуле:

θ_m = α₀ / (1 - σ² / n_θ²). Так как σ = 2π/τ, а n_θ = 2π / T_θ,
то θ_m = α₀ / (1 - T_θ² / τ²) или θ_m/ α₀ = 1 / (1 - T_θ² / τ²) (1),

где θ_m - амплитуда качки;
α₀ - наибольший угол волнового склона;
T_θ - период собственных колебаний судна;
τ - период волны.
Отношение , θ_m / α₀ принято называть относительной амплитудой, зависимость которой от отношения T_θ / τ можно представить следующим графиком:


Из уравнения (1) следует, что по мере приближения периода волны τ к периоду собственных колебании T_θ
относительная амплитуда вынужденных колебаний возрастает и при
отсутствии сил сопротивления воды становится бесконечно большой (при τ -
T_θ). Такое явление называется резонансом.
В действительности, резонанс, хотя и не приводит к возникновению
бесконечно больших амплитуд, вызывает появление резонансных максимальных
амплитуд. Из сравнения кривых, приведенных на рисунке видно, что
влияние сопротивления воды на относительную амплитуду вынужденных
колебаний существенно лишь в том случае, когда отношение периодов
находится в интервале 0,70 ≤ T_θ / τ ≤ 1,3 ; вне этой области влияние сопротивления незначительно.
Рассматриваемый случай качки является наиболее опасным. Если судно не
обладает достаточной динамической остойчивостыо, то резонанс может
привести к потере остойчивости и к опрокидыванию судна. Именно поэтому
при нормировании остойчивости морских судов оценивают углы, возникающие
не только от действия динамически приложенного давления ветра, но и углы
крена при бортовой качке, исходя из предположения, что судно находится
на регулярном волнении в условиях резонанса при положении лагом к волне.
Килевая и вертикальная качка. Если судно распологается
вразрез волне, то оно испытывает килевую качку. Физическая сущность
явлений, происходящих при килевой и бортовой качке, практически
одинакова, т.к. характер движения судна не меняется, а силы, действующие
на него, по своей природе остаются теми же.
Однако условия килевой качки судна на волнении отличаются от условиий
бортовой качки. При килевой качке сопротивление окружающей среды
значительно больше, чем при бортовой. Поэтому свободные колебания при
килевой качке затухают быстрее. Практически килевую качку можно считать
состоящей из одних вынужденных колебаний.
Исследование килевой качки осложняется тем, что одновременно возникает
вертикальная качка, причем их взаимное влияние друг на друга и на
характеристики колебаний судна существенно.
Поскольку даже при резонансе амплитуды килевой качки относительно
невелики, можно утверждать, что практическое значение для судна имеет не
столько сама качка, сколько связанные с ней заливаемоеть палубы и
надстроек и появление слемминга - гидродинамических ударов носовой
частью судна о воду. Указанные явления, а также ухудшение работы гребных
винтов из-за периодического обнажения винто-рулевой группы приводят к
значительному (до 50 %) уменьшению скорости судна, что неблагоприятно
сказывается на его экономических показателях. Явление слемминга
ощущается на протяжении от 1/10 до 1/8 длины судна. Удары о воду
сопровождаются сотрясениями корпуса, переходящими в вибрацию. По мере
увеличения крутизны волны сила ударов возрастает, что нередко приводит к
повреждениям днища. Поэтому при возникновении сильных ударов
судоводитель вынужден уменьшать, скорость или изменять курс судна.

Успокоителями качки принято называть устройства, которые применяются для уменьшения амплитуды качки судна.
Действие установленных на судне успокоителей качки состоит в том, что
они создают переменный стабилизирующий момент, противоположный по знаку
возмущающему моменту волны. В настоящее время применяются успокоители
только бортовой качки. Уменьшить амплитуды килевой и вертикальной качки с
помощью успокоителей практически трудно, т.к. еще не созданы
успокоители, способные развивать значительно большие, чем при бортовой
качке, стабилизирующие моменты.
Успокоители качки делятся на пассивные и активные. Действие рабочих
органов пассивных успокоителей основано на создании стабилизирующего
момента за счет колебательных движений судна во время качки, т.е. при их
использовании отпадает необходимость в специальных источниках энергии. В
активных успокоителях переменный стабилизирующий момент создается
принудительно с помощью особых механизмов, управляемых специальным
регулирующим устройством, которое, в свою очередь, реагирует на
колебания судна. Активные успокоители более эффективны, но на их работу
нужно затрачивать дополнительную мощность.
Пассивные успокоители. К числу пассивных успокоителей качки относятся скуловые кили и пассивные успокоительные цистерны.


Скуловые кили являются наиболее простым и эффективным средством
уменьшения бортовой качки и потому находят самое широкое применение.
Пассивные успокоительные цистерны могут быть двух типов: закрытого, не
сообщающегося с забортной водой (I рода) и открытого, сообщающегося с
забортной водой (II рода). Цистерны наполовину заполнены водой
(иногда, топливом) и соединены каналами. Пассивные успокоительные
цистерны наиболее эффективны при резонансной качке. При некоторых
условиях и режимах нерегулярного волнения такие успокоители могут
привести к увеличению амплитуд качки. Наличие свободной поверхности
жидкости в цистернах также неблагоприятно влияет на остойчивость
судна. Вследствие указанных причин пассивные цистерны в настоящее время
практически не используются.
Активные успокоители. К активным успокоителям качки
относятся бортовые управляемые рули, активные успокоительные цистерны и
гироскопические успокоители-стабилизаторы.
Бортовые
управляемые рули являются весьма эффективным средством уменьшения
бортовой качки и получили широкое распространение на транспортных и
особенно на пассажирских судах. Они размещены на специальных приводах,
обеспечивающих изменение углов атаки по определенному закону, выдвижение
их из корпуса и уборку внутрь корпуса.
Практика показывает, что бортовые рули целесообразно применять при
скоростях, превышающих 10-15 узл. В этом случае бортовые рули приводят к
значительному (в несколько раз) снижению амплитуд бортовой качки.
Активные успокоительные цистерны обычно выполняют в виде цистерн I
рода. Для регулирования движения воды применяют либо насосы,
установленные в водяном канале, либо воздуходувы, расположенные в
воздушном канале. Управление насосом или воздуходувкой осуществляется с
помощью специальной автоматики таким образом, чтобы можно было
регулировать подачу воды из одной цистерны в другую и обеспечивать
требуемое изменение стабилизирующего момента. Эффективность установки не
зависит от скорости судна: цистерны одинаково умеряют качку на ходу и
на стоянке. Недостатки активных цистерн: сложность конструкции, высокая
стоимость, применение сложной регулирующей аппаратуры, снижение
грузоподъемности судна необходимость затрат дополнительной энергии.
Гироскопический успокоитель качки представляет собой
мощный гироскоп, вращающийся на оси в раме. Гироскоп устанавливают
вертикально. Крен судна при бортовой качке вызывает поворот оси
гироскопа - так называемую прецессию гироскопа. Вследствие этого
возникает гироскопический момент, который является стабилизирующим
моментом успокоителя. Гироскопические успокоители могут быть как
пассивными, так и активными. У пассивного успокоителя прецессия
возникает как реакция на качку судна. В активных успокоителях прецессия
создается принудительно за счет передачи внешней энергии
электродвигателю, управляемому автоматическим регулятором, реагирующим
на режим качки судна. Недостатки: значительная масса, большая стоимость,
сложность устройства и эксплуатации.

В процессе эксплуатации судоводителю часто необходимо
проконтролировать значения метацентрической высоты судна при различных
случаях его нагрузки. Такая необходимость возникает, например, по мере
расходования запасов пресной воды и топлива, когда решается вопрос о
целесообразности приема балласта. Опыт кренования дает вполне надежные
результаты, но требует много времени, определенных условий и специальной
подготовки.
Значительно проще можно оценить поперечную метацентрическую высоту h, если известны период бортовой качки Т_θ и коэффициент С по формуле, полученной из капитанской формулы:


Период качки T_θ можно определить с помощью записи
затухающих свободных колебаний судна гироскопическими кренографами либо
инклинографами, снабженными отметчиками времени.
Практически период качки T_θ можно определить следующим
образом. Когда судно находится в одном из крайних наклоненных положений,
включают секундомер. Отсчитав 10 полных колебании, останавливают
секундомер в момент, когда судно приходит в исходное наклонное
положение. Период T_θ определяют, разделив отсчитанное по секундомеру время на 10.
Описанный приближенный способ дает удовлетворительные результаты при
отсутствии на судне свободных поверхностей жидких грузов, а также в том
случае, когда поправка на их влияние составляет не более 5 %
метацетрической высоты для данной нагрузки.
Результат вычисления метацентрической высоты h зависит и от удачного
выбора значения коэффициента С, входящего в выражение для h. Для
этого необходимо принимать его значения по известным значениям
коэффициента С, для однотипных или близких по конструкции судов.
Коэффициент С = 0.36 ± 0,43 в зависимости от типа судна.

Ходкостью называется способность судна развивать заданную скорость под действием приложенной к нему движущей силы.
Учение о ходкости судна принято делить па две части - сопротивление
окружающей среды (воды, воздуха) движению судна и судовые движители.
Первая часть посвящена: выявлению физической сущности возникновения
сил сопротивления среды движению судна; изучению законов, отражающих
изменение этих сил; определению количественной зависимости между формой
обводов корпуса, силами сопротивления, скоростью судна и необходимой
мощностью энергетической установки.
Во второй части изучаются типы движителей, принципы их выбора и методы
расчета. Конечной целью исследования является выбор такого сочетания
элементов движителя, при которых для достижения заданной скорости судна
затрачивается минимальная мощность судовой энергетической установки.

При движении с некоторой скоростью V судно испытывает силу
сопротивления окружающей среды R (воды и воздуха), направленную в
сторону, противоположную его движению.
Гидродинамические
силы, приложенные к элементам поверхности корпуса движущегося судна,
можно разложить на две составляющие: касательную и нормальную.
Касательную составляющую называют силой
трения, а нормальную - силой давления. На рисунке сила трения τ и сила давления Р действуют на выделенный элемент смоченной поверхности судна.
Проецируя все элементарные силы трения на направление скорости
движения судна и суммируя их по всей смоченной поверхности, получим
результирующую сил трения - сопротивление трения R_ТР, обусловленное действием сил вязкости.
Результирующая проекции сил давления на направление скорости движения
судна V, взятая по всей смоченной поверхности, определяет сопротивление давления R_Д, которое обуславливается плотностью и вязкостью воды.
Давления по поверхности судна распределяются неравномерно: в носовой
части они больше, в кормовой - меньше. Такой перепад давлений образует
сопротивление давления, которое в свою очередь разделяют на две части.
Первая часть - сопротивление формы R_Ф, вызванная влиянием вязкости жидкости, вторая - волновое сопротивление R_B зависит от интенсивности волновых движений жидкости, вызванных движущимся судном.
Каждое судно имеет те или иные выступающие части (рули, кронштейны и
выкружки гребных валов, скуловые кили и т.п.). Сопротивление воды,
вызываемое ими, называют сопротивлением выступающих частей R_В.Ч.. Кроме того, судно испытывает воздушное сопротивление R_ВОЗ, распределенное по надводной поверхности движущегося судна.
Таким образом, полное сопротивление движению судна суммируется из следуюших составляющих:


Для определения каждой составляющей полного сопротивления
применяются различные методы. Сопротивление трения определяется
расчетным путем на основании теории пограничного слоя. Сопротивление
формы и волновое сопротивление, объединенные под общим названием остаточного сопротивления Ro, определяются экспериментальными методами путем испытания моделей судов в опытовых бассейнах.
В практических расчетах полное сопротивление движению судна
вычисляется по формуле:


где С - коэффициент полного сопротивления;
S - смоченная поверхность голого корпуса;
S_ВЧ - смоченная поверхность выступающих частей;
ρ - плотность воды;
V - скорость судна.
По аналогии с формулой (1) коэффициент полного сопротивления может быть представлен в виде суммы коэффициентов:


где Со - коэффициент остаточного сопротивления.
Следовательно, полное сопротивление судна равно:

R = (C_ТР + C_О + C_В.Ч. + C_ВОЗ) × (ρπV² / 2) × (S + S_ВЧ) (3).


Сопротивление трения. В результате опытов было
установлено, что при обтекании тела (судна) потоком жидкости вблизи его
поверхности образуется тонкий слой жидкости, называемый пограничным
слоем. В пределах этого, слоя скорости частиц жидкости изменяются от
нуля на поверхности тела (частицы прилипают к поверхности) до значении
скорости
набегающего потока на внешней границе пограничного слоя. Изменение
скорости в этом слое обусловлено интенсивным проявлением сил вязкости.
Движение частиц жидкости внутри пограничного слоя может быть ламинарным
или турбулентным. Режим движения жидкости внутри пограничного
слоя определяется числом Рейнольдса R:


где V - скорость движения жидкости, м/с;
L- длина судна, м;

ν - коэффициент кинематической вязкости, м/с.
При значительно небольших значениях Re (при Re<4×10⁵) в
пограничном слое наблюдается ламинарный режим течения жидкости. При
таком режиме отдельные слои жидкости движутся в плоскостях,
приблизительно параллельных поверхности тела, и никакого переноса частиц
жидкости из слоя в слой не происходит; отдельные слои жидкости как бы
скользят друг по другу, вызывая вследствие действия молекулярных сил
сцепления силы трения, а, следовательно, и изменение скоростей в
поперечном сечении пограничного слоя.
При так называемом критическом числе Re_крит = 5×10⁵ происходит переход ламинарного пограничного слоя в турбулентный. Турбулентный режим
характеризуется тем, что частицы потока, двигаясь по главному
направлению - вдоль тела, совершают дополнительное движение - поперек
пограничного слоя. В этом случае происходит перенос жидкости из одного
слоя в другой, который приводит к интенсивному перемешиванию масс
жидкости и, как следствие, выравниванию скоростей потока в пределах
слоя, что вызывает соответствующее увеличение сил трения. Таким образом,
при турбулентном режиме обтекания силы трения значительно больше, чем
при ламинарном.
Турбулентный режим обтекания поверхности корпуса судна возникает из-за
шероховатости этой поверхности. Судовая поверхность не является
технически гладкой, а имеет значительную шероховатость различного
происхождения, влияние которой на сопротивление трения судна необходимо
учитывать. В целом шероховатость обусловлена: качеством окраски;
волнистостью наружной обшивки; наличием местных неровностей в виде
валиков сварных швов; заклепочных соединений и коррозионных разрушений
листов наружной обшивки. Обрастание подводной поверхности судна очень
сильно увеличивает шероховатость и тем самым уменьшает скорость судна.
Интенсивность обрастания зависит от многих факторов: температуры воды,
ее солености, времени года, района плавания, соотношения количества
ходовых и стояночных дней, скорости судна, состояния обшивки и т.п. В
отдельных случаях уже через год после докования при плавании в средних
широтах потеря скорости составляет 10-15 %.
Наиболее эффективным средством борьбы с обрастанием является
периодическое докование судна с обязательной очисткой подводной части
корпуса и покрытием его противообрастающими красками. Зачистка подводной
части корпуса судна может производиться и без докования судна на воде
водолазами. Обрастание судна в этом случае начнется значительно быстрее,
так как корпус не был вскрыт соответствующими красками.
Сопротивление формы. У плохо обтекаемых корпусов
потери энергии потока из-за действия сил вязкости настолько велики, что
частицы жидкости вблизи корпуса, не доходя до ахтерштевня, теряют
скорость, а под действием возрастающего давления могут начать двигаться
против набегающего потока.

Возникающий встречный поток жидкости оттесняет пограничный слой от
поверхности судна, приводит к срыву потока и образованию вихрей. Точка
А, в которой начинается оттеснение пограничного слоя, называется точкой
отрыва пограничного слоя.
Интенсивное вихреобразование в кормовой части судна еще в большей
степени снижает давление в этом районе и увеличивает разность
результирующих давлений, действующих на носовую и кормовую оконечности,
т.е. приводит к росту сопротивления формы.
Естественно, что сопротивление формы в значительной степени зависит от
положения точки отрыва пограничного слоя по длине судна: чем ближе к
носовой оконечности находится эта точка, тем больше сопротивление. В
свою очередь, положение точки отрыва определяется формой корпуса. У
судов с большим удлинением (L / В > 6), т.е. у хорошо обтекаемых
корпусов, отрыва пограничного слоя не наблюдается, поэтому эти суда
имеют относительно небольшое сопротивление формы (порядка 15-20% полного
сопротивления). У некоторых типов барж с тупой кормой сопротивление
формы достигает 50 % полного сопротивления.
Волновое сопротивление. Распределение
гидродинамических давлений вдоль корпуса движущегося судна неравномерно и
характеризуется повышением в оконечностях и понижением в районе миделя.
Вследствие этого форма поверхности воды искажается: там, где давление в
потоке выше атмосферного, образуется бугор, а где оно ниже атмосферного
- образуется впадина. Выведенные из положения равновесия частицы
жидкости под действием сил тяжести и сил инерции стремятся вернуться в
свое первоначальное положение. Это приводит к возникновению
колебательного движения воды, внешним проявлением которого являются так
называемые корабельные волны, образующиеся на спокойной поверхности
воды.
Установлено, что корабельные волны имеют два очага возникновения: у
форштевня развивается носовая система волн, у ахтерштевня - кормовая. В
каждой из них можно выделить расходящиеся и поперечные волны. На
создание этой волновой системы судном затрачивается энергия и происходит
потеря скорости, что и принято называть волновым сопротивлением.

Сопротивление выступающих частей. Выступающими
частями судна считаются рули, кронштейны и выкружки гребных валов,
рудерпост, скуловые кили и т.д. Выступающие части создают добавочное
сопротивление R_ВЧ которое определяется вязкостными
составляющими. Если выступающие части рационально спроектированы и
правильно расположены относительно корпуса, то их сопротивление
вызывается силами трения. При нарушении этих требований резко возрастает
сопротивление формы. Величина R_ВЧ определяется экспериментально,
путем сравнительных буксировочных испытаний модели судна с выступающими частями и без них в опытовых бассейнах.
Воздушное сопротивление. Сопротивление воздуха R_ВОЗ
движению судна слагается из сопротивления надводной части корпуса,
надстроек, рубок и других палубных сооружений. Основную часть
сопротивления (до 60-80 %) создают надстройки, которые по своей
конфигурации приближаются к плохо обтекаемым телам.

Судовыми движителями называются специальные
устройства, которые преобразуют энергию главных двигателей в движущую
силу (полезную тягу), необходимую для преодоления сопротивления среды
движению судна и обеспечения заданной скорости его движения.
По принципу действия судовые движители являются гидрореактивными, т.к.
они создают движущую силу за счет реакции масс воды, отбрасываемых
рабочими деталями движителя - лопастями - в сторону, противоположную
движению судна.
В настоящее время на водном транспорте применяются следующие основные
типы судовых движителей: гребной винт, гребное колесо, крыльчатый и
водометный движители.
Гребной винт служит основным типом движителя
для
морских судов. Он состоит из нескольких лопастей, расположенных на
ступице на одинаковых угловых расстояниях друг от друга. Число лопастей
гребных винтов колеблется от 2 до 6. В целях предотвращения вибраций
кормовой оконечности одновинтовых судов, число лопастей гребного винта
принимают не менее четырех. Диаметр гребных винтов крупных современных
судов достигает 6 - 8 м.
Различают три основных конструктивных типа гребных винтов: цельные
винты (цельнолитые), винты со съемными лопастями (сборные) и винты с
поворотными лопастями - винты регулируемого шага (В Р Ш).
Гребной винт характеризует его шаг. Шагом винта
называется расстояние, на которое переместится точка винта за один
полный оборот винта при вращении его в абсолютно твердом теле. Гребные
винты, в зависимости от того, в какую сторону они вращаются, бывают
левого и правого шага. В отличие от лопастей В Ф Ш у винтов
регулируемого шага лопасти могут поворачиваться вокруг своей продольной
оси и изменять шаг, что обеспечивает возможность использования полной
мощности двигателя при оптимальной частоте вращения на любом режиме
движения судна.
Расчет гребного винта заключается в определении его геометрических
характеристик (диаметра, шага, дискового отношения и числа лопастей),
обеспечивающих наиболее высокие пропульсивные качества судну в основном
режиме его эксплуатации. Так, транспортному судну указанные
характеристики должны обеспечить наивысшую скорость, буксирному -
наибольшую тягу на гаке при полном использовании мощности главных
двигателей.
Преимущества и недостатки В Р Ш по сравнению с обычным винтом:
возможность изменять положение лопастей у В Р Ш позволяет изменять силу
упора винта не меняя частоты и направления вращения вала с полного
переднего хода до нуля, а затем до полного заднего хода. Это позволяет
использовать на судне нереверсивный двигатель, который проще в
обслуживании и моторесурс которого значительно выше реверсивного. За
счет того, что нет необходимости выполнять реверс для изменения силы
упора винта, а достаточно только развернуть лопасти винта, что делается
дистанционно с мостика, время перехода судна от одного режима движения к
другому значительно сокращается. Это улучшает маневренные качества
судна, упрощает эксплуатации двигателя. Но В Р Ш значительно сложнее по
конструкции, что уменьшает его надежность и увеличивает стоимость. В Р Ш
имеют при том же К П Д больший вес и размеры, чем обычные винты, что
усложняет их крепление.

супер!!!! весь учебный курс в 10 сообщениях....СПАСИБО)))))